Bornitridnanorör – exfolierade och dispergerade med ultraljudsbehandling

Ultraljudsbehandling används framgångsrikt för bearbetning och dispergering av bornitridnanorör (BNNT). Högintensiv ultraljudsbehandling ger en homogen upplösning av sammantrasslingar och fördelning i olika lösningar och är därmed en avgörande bearbetningsteknik för att införliva BNNT i lösningar och matriser.

Ultraljudsbearbetning av bornitridnanorör

För att införliva bornitridnanorör (BNNT) eller bornitridnanostrukturer (BNN), såsom nanoark och nanoband, i flytande lösningar eller polymermatriser krävs en effektiv och tillförlitlig dispergeringsteknik. Ultraljudsdispergering tillför den energi som krävs för att med hög effektivitet exfoliera, lösa upp sammantrasslingar i, dispergera och funktionalisera bornitridnanorör och bornitridnanostrukturer. De exakt reglerbara bearbetningsparametrarna för högintensivt ultraljud (dvs. energi, amplitud, tid, temperatur och tryck) gör det möjligt att individuellt anpassa bearbetningsförhållandena till det avsedda processmålet. Detta innebär att ultraljudsintensiteten kan anpassas till den specifika formuleringen (BNNT-kvalitet, lösningsmedel, koncentrationsförhållande mellan fast fas och vätska osv.), vilket ger optimala resultat.

Tillämpningarna för ultraljudsbearbetning av BNNT och BNN omfattar hela spannet från homogen dispergering av tvådimensionella bornitridnanostrukturer (2D-BNN) till funktionalisering av dessa och kemisk exfoliering av hexagonal bornitrid i enkelskikt. Nedan presenterar vi detaljerna kring ultraljudsdispergering, exfoliering och funktionalisering av BNNT och BNN.

Ultraljudsdispergering av bornitridnanorör

När bornitridnanorör (BNNT) används för att förstärka polymerer eller syntetisera nya material krävs en jämn och tillförlitlig dispergering i matrisen. Ultraljudsdispergerare används i stor utsträckning för att dispergera nanomaterial såsom CNT, metalliska nanopartiklar, kärna–skal-partiklar och andra typer av nanopartiklar i en andra fas.
Ultraljudsdispergering har framgångsrikt använts för att lösa upp sammantrasslingar i och jämnt fördela BNNT i vattenbaserade och icke-vattenbaserade lösningar, inklusive etanol, PVP-etanol och TX100-etanol samt olika polymerer (t.ex. polyuretan).
Ett vanligt ytaktivt ämne för att stabilisera en ultraljudsframställd BNNT-dispersion är en lösning med 1%wt natriumdodecylsulfat (SDS). Exempelvis dispergeras 5 mg BNNT med ultraljud i en provflaska med 5 mL 1%wt. SDS-lösning med hjälp av en ultraljudsdispergerare av sondtyp såsom UP200St (26kHz, 200W).

Vattenbaserad dispergering av BNNT med ultraljud

På grund av sina starka van der Waals-växelverkningar och sin hydrofoba yta är bornitridnanorör svåra att dispergera i vattenbaserade lösningar. För att lösa dessa problem använde Jeon et al. (2019) Pluronic P85 och F127, som har både hydrofila och hydrofoba grupper, för att funktionalisera BNNT under ultraljudsbehandling.

Exfoliering av bornitridnanoark utan ytaktiva ämnen med hjälp av ultraljudsbehandling

Lin et al. (2011) presenterar en ren metod för exfoliering och dispergering av hexagonal bornitrid (h-BN). Hexagonal bornitrid anses traditionellt vara olöslig i vatten. De kunde dock visa att vatten är effektivt för att exfoliera de skiktade h-BN-strukturerna med ultraljudsbehandling, vilket bildar ”rena” vattenbaserade dispersioner av h-BN-nanoark utan användning av ytaktiva ämnen eller organisk funktionalisering. Denna ultraljudsbaserade exfolieringsprocess producerade fåskiktade h-BN-nanoark samt enskiktade nanoark och nanoband. De flesta nanoark hade minskade laterala dimensioner, vilket tillskrevs kapningen av de ursprungliga h-BN-arken genom ultraljudsassisterad hydrolys (vilket bekräftades av ammoniaktestet och spektroskopiresultaten). Den ultraljudsinducerade hydrolysen främjade också exfolieringen av h-BN-nanoark genom att understödja lösningsmedlets polaritetseffekt. h-BN-nanoarken i dessa ”rena” vattenbaserade dispersioner uppvisade god bearbetbarhet med lösningsbaserade metoder samtidigt som de behöll sina fysikaliska egenskaper. De h-BN-nanoark som dispergerats i vatten uppvisade också stark affinitet för proteiner som ferritin, vilket tyder på att nanoarkens ytor var tillgängliga för ytterligare biokonjugering.

Den sonomekaniska dispergeringsmetoden med ultraljudskavitation och skjuvkrafter är en rent fysikalisk blandningsmetod som har visats kunna lösa upp buntar av BNNTs och stabilisera enskilda BNNTs samtidigt som deras integritet och inneboende egenskaper bevaras. Genom tillförsel av lämplig ultraljudsenergi (Ws/mL), dvs. med anpassad amplitud och ultraljudsbehandlingstid, kan ultraljudsdispergering reda ut och jämnt dispergera BNNTS. Högre amplituder och längre ultraljudsbehandling kan användas om bornitridnanorörens längd ska minskas. Läs mer om ultraljudsbaserad storleksreduktion och längdkapning av BNNTs i nästa avsnitt.

Ultraljudsbaserad storleksreduktion och kapning av bornitridnanorör

Bornitridnanorörens längd spelar en avgörande roll vid den efterföljande bearbetningen av BNNTs till polymerer och andra funktionaliserade material. Därför är det ett viktigt faktum att ultraljudsbehandling av BNNTs i lösningsmedel inte bara skulle kunna separera BNNTs individuellt, utan också förkorta de bambustrukturerade BNNTs under kontrollerade förhållanden. De förkortade BNNTs har en mycket lägre sannolikhet att bilda buntar under kompositframställning. Lee et al. (2012) visade att längderna hos funktionaliserade BNNTs effektivt kan förkortas från >10µm till ∼500nm genom ultraljudsbehandling. Deras experiment tyder på att effektiv ultraljudsdispergering av BNNT i lösning är nödvändig för sådan kapning vid storleksreduktion och kapning av BNNT.

Högpresterande ultraljudsapparater för bearbetning av BNNT

De smarta funktionerna hos Hielschers ultraljudsapparater är utformade för att garantera tillförlitlig drift, reproducerbara resultat och användarvänlighet. Driftinställningarna kan enkelt nås och justeras via en intuitiv meny som är tillgänglig via en digital pekskärm i färg och fjärrstyrning via webbläsare. Alla processbetingelser, såsom nettoenergi, total energi, amplitud, tid, tryck och temperatur, registreras därför automatiskt på ett inbyggt SD-kort. Detta gör att du kan granska och jämföra tidigare ultraljudsbehandlingar och optimera processen för exfoliering och dispergering av bornitridnanorör och nanomaterial för högsta effektivitet.
System från Hielscher Ultrasonics används över hela världen för tillverkning av högkvalitativa BNNT:er. Hielschers industriella ultraljudsapparater kan enkelt arbeta med höga amplituder i kontinuerlig drift (24/7/365). Amplituder på upp till 200µm kan enkelt genereras kontinuerligt med standardsonotroder (ultraljudssonder / horn). För ännu högre amplituder finns specialanpassade ultraljudssonotroder tillgängliga. Tack vare sin robusthet och sitt låga underhållsbehov installeras våra system för exfoliering och dispergering med ultraljud ofta för krävande tillämpningar och i krävande miljöer.
De industriella ultraljudsprocessorerna från Hielscher Ultrasonics kan leverera mycket höga amplituder. Amplituder på upp till 200µm kan enkelt upprätthållas kontinuerligt i drift dygnet runt, alla dagar i veckan. För ännu högre amplituder finns specialanpassade ultraljudssonotroder tillgängliga.
Hielschers ultraljudsprocessorer för dispergering och exfoliering av bornitridnanorör samt CNT:er och grafen finns redan installerade i kommersiell skala över hela världen. Kontakta oss nu för att diskutera din tillverkningsprocess för BNNT:er! Vår erfarna personal delar gärna med sig av mer information om exfolieringsprocessen, ultraljudssystem och priser!
Tabellen nedan ger dig en uppfattning om den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater: