Ống nano bo nitrua – Bóc tách và phân tán bằng siêu âm
Siêu âm được ứng dụng thành công trong xử lý và phân tán ống nano bo nitrua (BNNTs). Siêu âm cường độ cao giúp gỡ rối và phân bố đồng đều trong nhiều dung dịch khác nhau, do đó là một kỹ thuật xử lý then chốt để đưa BNNTs vào dung dịch và các nền vật liệu.
Xử lý ống nano bo nitrua bằng siêu âm
Để đưa ống nano bo nitrua (BNNTs) hoặc các cấu trúc nano bo nitrua (BNNs) như tấm nano và dải nano vào dung dịch lỏng hoặc nền polyme, cần có một kỹ thuật phân tán hiệu quả và đáng tin cậy. Phân tán bằng siêu âm cung cấp năng lượng cần thiết để bóc tách, gỡ rối, phân tán và chức năng hóa ống nano bo nitrua cũng như các cấu trúc nano bo nitrua với hiệu quả cao. Các thông số xử lý bằng siêu âm cường độ cao có thể được kiểm soát chính xác (tức là năng lượng, biên độ, thời gian, nhiệt độ và áp suất), cho phép điều chỉnh riêng từng điều kiện xử lý theo mục tiêu của quy trình. Điều này có nghĩa là có thể điều chỉnh cường độ siêu âm theo công thức cụ thể (chất lượng BNNTs, dung môi, nồng độ rắn–lỏng, v.v.), nhờ đó đạt được kết quả tối ưu.
Phương pháp tổng hợp cốc nano bo nitrua bằng siêu âm
(nghiên cứu và đồ họa: Yu và cộng sự, 2012)
Các ứng dụng xử lý BNNT và BNN bằng siêu âm bao quát toàn bộ phạm vi từ phân tán đồng đều các cấu trúc nano bo nitrua hai chiều (2D-BNNs) đến chức năng hóa chúng và bóc tách hóa học bo nitrua lục giác đơn lớp. Dưới đây, chúng tôi trình bày chi tiết về phân tán, bóc tách và chức năng hóa BNNTs và BNNs bằng siêu âm.
Hệ thống lắp đặt các thiết bị phân tán siêu âm (2x UIP1000hdT) để xử lý ống nano bo nitrua ở quy mô công nghiệp
Phân tán ống nano bo nitrua bằng siêu âm
Khi ống nano bo nitrua (BNNTs) được sử dụng để gia cường polyme hoặc tổng hợp vật liệu mới, cần phân tán chúng đồng đều và đáng tin cậy vào nền vật liệu. Các thiết bị phân tán siêu âm được sử dụng rộng rãi để phân tán vật liệu nano như CNTs, hạt nano kim loại, hạt lõi–vỏ và các loại hạt nano khác vào một pha thứ hai.
Phân tán bằng siêu âm đã được ứng dụng thành công để gỡ rối và phân bố đồng đều BNNTs trong các dung dịch nước và không chứa nước, bao gồm etanol, PVP trong etanol, TX100 trong etanol cũng như nhiều loại polyme khác nhau (ví dụ: polyurethane).
Một chất hoạt động bề mặt thường được sử dụng để ổn định hệ phân tán BNNT được điều chế bằng siêu âm là dung dịch natri dodecyl sulfat (SDS) 1%wt. Ví dụ, 5 mg BNNTs được phân tán bằng siêu âm trong một lọ chứa 5 mL dung dịch SDS 1%wt. bằng thiết bị phân tán siêu âm dạng đầu dò như UP200St (26kHz, 200W).
Phân tán BNNTs trong nước bằng siêu âm
Do tương tác van der Waals mạnh và bề mặt kỵ nước, ống nano bo nitrua khó phân tán trong các dung dịch nền nước. Để giải quyết những vấn đề này, Jeon và cộng sự (2019) đã sử dụng Pluronic P85 và F127, vốn có cả nhóm ưa nước và nhóm kỵ nước, để chức năng hóa BNNT dưới tác động của siêu âm.
Ảnh SEM của BNNTs đã được rút ngắn sau các khoảng thời gian xử lý siêu âm khác nhau. Như thể hiện trong ảnh, chiều dài của các BNNTs này giảm khi tổng thời gian xử lý siêu âm tích lũy tăng.
(nghiên cứu và hình ảnh: Lee và cộng sự, 2012)
Bóc tách tấm nano bo nitrua bằng siêu âm không sử dụng chất hoạt động bề mặt
Lin và cộng sự (2011) trình bày một phương pháp sạch để bóc tách và phân tán bo nitrua lục giác (h-BN). Theo quan niệm truyền thống, bo nitrua lục giác không tan trong nước. Tuy nhiên, họ đã chứng minh được rằng nước có hiệu quả trong việc bóc tách các cấu trúc h-BN dạng lớp bằng siêu âm, tạo thành các hệ phân tán tấm nano h-BN “sạch” trong nước mà không sử dụng chất hoạt động bề mặt hoặc chức năng hóa bằng các nhóm hữu cơ. Quá trình bóc tách bằng siêu âm này tạo ra các tấm nano h-BN ít lớp cũng như các dạng tấm nano và dải nano đơn lớp. Phần lớn các tấm nano có kích thước theo phương ngang giảm, được cho là do các tấm h-BN ban đầu bị cắt bởi quá trình thủy phân có hỗ trợ siêu âm (được củng cố bằng phép thử amoniac và kết quả quang phổ). Quá trình thủy phân do siêu âm gây ra cũng thúc đẩy sự bóc tách các tấm nano h-BN, bổ trợ cho tác động của độ phân cực dung môi. Các tấm nano h-BN trong những hệ phân tán “sạch” trong nước này cho thấy khả năng gia công tốt bằng các phương pháp dung dịch, đồng thời giữ được các đặc tính vật lý. Các tấm nano h-BN phân tán trong nước cũng thể hiện ái lực mạnh với các protein như ferritin, cho thấy bề mặt các tấm nano có thể được sử dụng cho các bước liên hợp sinh học tiếp theo.
Giảm kích thước và cắt ống nano bo nitrua bằng siêu âm
Chiều dài của các ống nano bo nitrua đóng vai trò then chốt trong quá trình gia công tiếp theo để đưa BNNT vào polyme và các vật liệu đã được chức năng hóa khác. Vì vậy, một thực tế quan trọng là việc xử lý BNNT trong dung môi bằng siêu âm không chỉ có thể tách riêng từng BNNT mà còn có thể cắt ngắn các BNNT có cấu trúc dạng tre trong điều kiện được kiểm soát. Các BNNT đã được cắt ngắn có khả năng kết bó thấp hơn nhiều trong quá trình chế tạo vật liệu composite. Lee và cộng sự (2012) đã chứng minh rằng chiều dài của các BNNT đã được chức năng hóa có thể được rút ngắn hiệu quả từ >10µm xuống ∼500nm bằng siêu âm. Các thí nghiệm của họ cho thấy việc phân tán BNNT trong dung dịch một cách hiệu quả bằng siêu âm là cần thiết cho quá trình cắt để giảm kích thước BNNT như vậy.
(c) mPEG- DSPE/BNNTs phân tán tốt trong nước (sau 2 h xử lý siêu âm). (d) Sơ đồ minh họa một BNNT được chức năng hóa bằng một phân tử mPEG-DSPE
(nghiên cứu và hình ảnh: Lee và cộng sự 2012)
Máy đồng nhất siêu âm UP400St để phân tán các ống nano bo nitrua (BNNTs)
Thiết bị siêu âm hiệu suất cao để xử lý BNNT
Các tính năng thông minh của máy siêu âm Hielscher được thiết kế để bảo đảm hoạt động đáng tin cậy, kết quả có thể tái lập và tính thân thiện với người dùng. Có thể dễ dàng truy cập và điều chỉnh các thông số vận hành thông qua menu trực quan trên màn hình cảm ứng màu kỹ thuật số và qua chức năng điều khiển từ xa bằng trình duyệt. Do đó, tất cả các điều kiện xử lý như năng lượng thuần, tổng năng lượng, biên độ, thời gian, áp suất và nhiệt độ đều được tự động ghi lại trên thẻ SD tích hợp. Điều này cho phép bạn xem lại và so sánh các lần xử lý siêu âm trước đó, đồng thời tối ưu hóa quy trình bóc tách lớp và phân tán ống nano bo nitrua và vật liệu nano để đạt hiệu suất cao nhất.
Các hệ thống Hielscher Ultrasonics được sử dụng trên toàn thế giới để sản xuất BNNT chất lượng cao. Máy siêu âm công nghiệp Hielscher có thể dễ dàng vận hành ở biên độ cao trong chế độ hoạt động liên tục (24/7/365). Có thể dễ dàng tạo ra liên tục biên độ lên đến 200µm bằng các đầu sonotrode tiêu chuẩn (đầu dò / còi siêu âm). Đối với biên độ cao hơn nữa, có các đầu sonotrode siêu âm được chế tạo theo yêu cầu. Nhờ độ bền cao và nhu cầu bảo trì thấp, các hệ thống bóc tách lớp và phân tán bằng siêu âm của chúng tôi thường được lắp đặt cho các ứng dụng tải nặng và trong môi trường khắc nghiệt.
Các thiết bị xử lý siêu âm công nghiệp của Hielscher Ultrasonics có thể cung cấp biên độ rất cao. Có thể dễ dàng duy trì liên tục biên độ lên đến 200µm trong chế độ hoạt động 24/7. Đối với biên độ cao hơn nữa, có các đầu sonotrode siêu âm được chế tạo theo yêu cầu.
Các thiết bị xử lý siêu âm Hielscher dùng để phân tán và bóc tách lớp ống nano bo nitrua cũng như CNT và graphene đã được lắp đặt trên toàn thế giới ở quy mô thương mại. Hãy liên hệ với chúng tôi ngay để trao đổi về quy trình sản xuất BNNT của bạn! Đội ngũ nhân viên giàu kinh nghiệm của chúng tôi sẽ sẵn lòng chia sẻ thêm thông tin về quy trình bóc tách lớp, các hệ thống siêu âm và giá cả!
Bảng dưới đây cho biết năng lực xử lý gần đúng của các máy siêu âm của chúng tôi:
| Thể tích mẻ | Lưu lượng | Thiết bị được khuyến nghị |
|---|---|---|
| 1 đến 500mL | 10 đến 200mL/min | UP100H |
| 10 đến 2000mL | 20 đến 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 đến 20L | 0,2 đến 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 đến 100L | 2 đến 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 đến 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | lớn hơn | cụm thiết bị UIP16000 |
Hãy liên hệ với chúng tôi! / Hãy đặt câu hỏi cho chúng tôi!
Hielscher Ultrasonics sản xuất máy đồng nhất hóa siêu âm hiệu suất cao cho các ứng dụng trộn, phân tán, nhũ hóa và chiết xuất ở quy mô phòng thí nghiệm, thí điểm và công nghiệp.
Tài liệu / Tài liệu tham khảo
- Sang-Woo Jeon, Shin-Hyun Kang, Jung Chul Choi, Tae-Hwan Kim (2019): Dispersion of Boron Nitride Nanotubes by Pluronic Triblock Copolymer in Aqueous Solution. Polymers 11, 2019.
- Chee Huei Lee, Dongyan Zhang, Yoke Khin Yap (2012): Functionalization, Dispersion, and Cutting of Boron Nitride Nanotubes in Water. Journal of Physical Chemistry C 116, 2012. 1798–1804.
- Lin, Yi; Williams, Tiffany; Xu, Tian-Bing; Cao, Wei; Elsayed-Ali, Hani; Connell, John (2011): Aqueous Dispersions of Few-Layered and Monolayered Hexagonal Boron Nitride Nanosheets from Sonication-Assisted Hydrolysis: Critical Role of Water. The Journal of Physical Chemistry C 2011.
- Yuanlie Yu, Hua Chen, Yun Liu, Tim White, Ying Chen (2012): Preparation and potential application of boron nitride nanocups. Materials Letters, Vol. 80, 2012. 148-151.
- Luhua Li, Ying Chen, Zbigniew H. Stachurski (2013): Boron nitride nanotube reinforced polyurethane composites. Progress in Natural Science: Materials International Vol. 23, Issue 2, 2013. 70-173.
- Yanhu Zhan, Emanuele Lago, Chiara Santillo, Antonio Esaú Del Río Castillo, Shuai Hao, Giovanna G. Buonocore, Zhenming Chen, Hesheng Xia, Marino Lavorgna, Francesco Bonaccorso (2020): An anisotropic layer-by-layer carbon nanotube/boron nitride/rubber composite and its application in electromagnetic shielding. Nanoscale 12, 2020. 7782-7791.
- Kalay, Şaban; Çobandede, Zehra; Sen, Ozlem; Emanet, Melis; Kazanc, Emine; Culha, Mustafa (2015): Synthesis of boron nitride nanotubes and their applications. Beilstein Journal of Nanotechnology Vol 6, 2015. 84-102.
Những thông tin đáng biết
Ống nano bo nitrua và vật liệu nano
Các ống nano bo nitrua có cấu trúc nguyên tử độc đáo được tạo thành từ các nguyên tử bo và nitơ sắp xếp theo mạng lục giác. Cấu trúc này mang lại cho BNNT nhiều đặc tính nội tại ưu việt như độ bền cơ học vượt trội, độ dẫn nhiệt cao, tính cách điện, tính áp điện, khả năng che chắn neutron và khả năng chống oxy hóa. Độ rộng vùng cấm 5 eV cũng có thể được điều chỉnh bằng điện trường ngang, khiến BNNTs trở nên hấp dẫn đối với các thiết bị điện tử. Ngoài ra, BNNTs có khả năng chống oxy hóa cao ở nhiệt độ lên đến 800°C, thể hiện tính áp điện ưu việt và có thể là vật liệu lưu trữ hydro tốt ở nhiệt độ phòng.
BNNTs so với graphene: BNNTs là các cấu trúc tương đồng với graphene. Sự khác biệt chính giữa các vật liệu nano nền bo nitrua và các vật liệu tương ứng nền carbon là bản chất của liên kết giữa các nguyên tử. Liên kết C-C trong vật liệu nano carbon có tính cộng hóa trị thuần túy, trong khi các liên kết B-N có một phần tính ion do các cặp e− trong B-N lai hóa sp2. (xem Emanet et al. 2019)
BNNTs so với ống nano carbon: Các ống nano bo nitrua (BNNTs) có cấu trúc nano dạng ống tương tự các ống nano carbon (CNTs), trong đó các nguyên tử bo và nitơ được sắp xếp theo mạng lục giác.
Xene: Xene là các vật liệu nano 2D đơn nguyên tố. Những ví dụ nổi bật là borophene, gallenene, silicene, germanene, stanene, phosphorene, arsenene, antimonene, bismuthene, tellurene và selenene. Xene có những tính chất vật liệu phi thường, nhờ đó có tiềm năng vượt qua các giới hạn liên quan đến ứng dụng thực tiễn của các vật liệu 2D khác. Tìm hiểu thêm về quá trình bóc tách xene bằng siêu âm!
Hielscher Ultrasonics sản xuất các máy đồng hóa siêu âm hiệu năng cao từ quy mô phòng thí nghiệm đến quy mô công nghiệp.