فونكتيوناليزاشيون وتشتت المواد النانوية الكربون باستخدام عملية أوزونوليسيس أولتراسونيكاتد الصديقة للبيئة
Summary
هنا، وصفت طريقة جديدة ل فونكتيوناليزاشيون وتشتت مستقرة من المواد النانوية الكربون في البيئات المائية. يتم حقن الأوزون مباشرة في تشتت مائي للمواد النانوية الكربونية التي يتم إعادة تدويرها بشكل مستمر من خلال خلية الموجات فوق الصوتية عالية الطاقة.
Abstract
وكثيرا ما يكون عمل المواد النانوية الكربونية وظيفيا خطوة حاسمة تسهل إدماجها في النظم والأجهزة المادية الكبيرة. وفي الشكل المستلم، قد تحتوي المواد النانوية الكربونية، مثل الأنابيب النانوية الكربونية (نيتس) أو النانوية الجرافينية (غنبس)، على كتل كبيرة. كل من التكتلات والشوائب سوف يقلل من فوائد الخصائص الكهربائية والميكانيكية فريدة من نوعها عرضت عندما يتم تضمين نت أو غنبس في البوليمرات أو أنظمة المواد المركبة. وفي حين توجد مجموعة متنوعة من الطرق لتفعيل المواد النانوية الكربونية وإيجاد تشتتات مستقرة، تستخدم العديد من العمليات مواد كيميائية قاسية أو مذيبات عضوية أو عوامل خافضة للتوتر السطحي، وهي غير ودية بيئيا وقد تزيد من عبء المعالجة عند عزل المواد النانوية لاستخدامها لاحقا. البحث الحالي تفاصيل استخدام بديل، تقنية صديقة للبيئة ل فونكتيوناليزينغ نت و غنبس. وتنتج مشتتات مائي مستقرة خالية من ضررأول الكيميائية. يمكن إضافة كل من نتس و غنس إلى الماء في تركيزات تصل إلى 5 جم / لتر ويمكن إعادة تدويرها من خلال خلية بالموجات فوق الصوتية عالية الطاقة. الحقن في وقت واحد من الأوزون في الخلية يتأكسد تدريجيا المواد النانوية الكربون، و أولتراسونيكاتيون مجتمعة يكسر أغلوميراتس ويعرض على الفور المواد الطازجة ل فونكتيوناليزاشيون. وتكون التشتتات المعدة بشكل مثالي مناسبة لترسب الأغشية الرقيقة على ركائز صلبة باستخدام الترسب الكهربي (إبد). يمكن أن تستخدم نيتس و غنس من التشتت المائية بسهولة لطلاء ألياف الكربون والزجاج المقوى باستخدام إبد لإعداد المواد المركبة الهرمية.
Introduction
وقد شهد استخدام المواد النانوية الكربونية لتعديل النظم البوليمرية والمركبة اهتماما بحثيا مكثفا على مدى السنوات العشرين الماضية. إن الاستعراضات التي أجريت مؤخرا على استخدام الأنابيب النانوية الكربونية 1 (نتس) و نانوبلاتيليتس الجرافين 2 (غنبس) توفر مؤشرا على اتساع نطاق البحث. إن الصلابة العالية العالية وقوة نت و غنبس، فضلا عن الموصلية الكهربائية العالية العالية، تجعل المواد مناسبة بشكل مثالي للدمج في أنظمة البوليمر لتعزيز الأداء الميكانيكي والكهربائي للمواد النانوية. وقد استخدمت أيضا نتس والناتج القومي الإجمالي لتطوير الهياكل المركبة الهرمية باستخدام المواد النانوية الكربونية لتعديل كل من التصاق الألياف بين السطحية وصلابة المصفوفة 3 ، 4 .
وغالبا ما يتطلب التشتت المتجانس للمواد النانوية الكربونية في النظم البوليمريةخطوات المعالجة، التي تغير كيميائيا المواد النانوية لتحسين التوافق الكيميائي مع مصفوفة البوليمر، وإزالة الشوائب، وتقليل أو إزالة أغلوميراتس من المواد كما وردت. وهناك مجموعة متنوعة من الأساليب لتعديل كيميائيا للمواد النانوية الكربونية متاحة ويمكن أن تشمل الأكسدة الكيميائية الرطبة باستخدام الأحماض القوية 5 ، 6 ، تعديل مع السطحي 7 ، الكهروكيميائية إقحاح وتقشير 8 ، أو معالجة كيميائية جافة باستخدام العمليات القائمة على البلازما 9 .
استخدام الأحماض القوية في خطوة الأكسدة من نتس يقدم الأكسجين مجموعات وظيفية ويزيل الشوائب. ومع ذلك، فإنه من العيب من خفض كبير في طول نت، وإدخال الأضرار التي لحقت الجدران الخارجية نت واستخدام المواد الكيميائية الخطرة، والتي تحتاج إلى أن تكون معزولة عن المواد المعالجة لمزيد من المعالجة 10 </ سوب>. استخدام السطحي جنبا إلى جنب مع أولتراسونيكاتيون يقدم طريقة أقل عدوانية لإعداد التشتتات مستقرة، ولكن غالبا ما يكون من الصعب إزالة السطح من المواد المعالجة وربما لا تكون متوافقة مع البوليمر المستخدمة لإعداد المواد نانوكومبوسيت 1 ، 11 . قد تكون قوة التفاعل الكيميائي بين جزيء السطحي و نت أو غنب أيضا غير كافية للتطبيقات الميكانيكية. وقد تكون عمليات معالجة البلازما الجافة التي تجرى في ظروف الغلاف الجوي مناسبة لمصفوفات نكتس الوظيفية، الموجودة على الألياف أو الأسطح المستوية، وتستخدم لإعداد المركبات الهرمية 9 . ومع ذلك، فإن البلازما في الغلاف الجوي أكثر صعوبة في تطبيقها على مساحيق جافة ولا تعالج المشاكل مع التكتلات الموجودة في المواد النانوية الكربونية الخام المصنعة.
في العمل الحالي، ونحن نقدم وصفا مفصلا لل أولتراسون(أوسو) الطريقة التي طبقناها سابقا على المواد النانوية الكربونية 12 ، 13 ، 14 . يتم استخدام عملية أوسو لإعداد مشتتات مائي مستقرة التي هي مناسبة للإيداع الكهربي (إبد) على حد سواء نتس و غنبس على الكربون والألياف الزجاجية. أمثلة من إبد باستخدام أوس-فونكتيوناليزد نت لإيداع رقيقة، أفلام موحدة على الفولاذ المقاوم للصدأ و ركائز النسيج الكربون وسيتم توفير. كما سيتم توفير أساليب والنتائج النموذجية المستخدمة في وصف كيميائيا نتس فونكتيوناليزد و غنبس، وذلك باستخدام كل من الأشعة السينية الضوئية الطيفي (زس) و رامان الطيفي. وسيتم تقديم مناقشة موجزة عن توصيف النتائج بالمقارنة مع التقنيات الوظيفية الأخرى.
العمل الصحة والسلامة إشعار
آثار التعرض للجسيمات النانوية مثل نتس، على صحة الإنسان ليست مفهومة جيدا. هذايوصى باتخاذ تدابير خاصة للتقليل إلى أدنى حد ممكن من التعرض للتلوث البيئي بمساحيق نت وتجنب تلوثها البيئي. وتشمل تدابير عزل الخطر المقترحة العمل داخل خزانة هيبا فلتر مجهزة تجهيزا و / أو علبة القفازات. وتشمل تدابير النظافة المهنية ارتداء ملابس واقية وطبقتين من القفازات وإجراء تنظيف منتظم للأسطح باستخدام المناشف الورقية الرطبة أو مكنسة كهربائية مع فلتر هيبا لإزالة مساحيق نت الضالة. وينبغي تعبئة المواد الملوثة للتخلص من النفايات الخطرة.
التعرض للأوزون يمكن أن يهيج العينين والرئتين والجهاز التنفسي، وبتركيزات أعلى قد يسبب تلف الرئة. ويوصى باتخاذ تدابير للحد من التعرض الشخصي والبيئي لغاز الأوزون الناتج. وتشمل تدابير العزل العمل داخل خزانة الدخان. وبما أن تيار الهواء العائد سيحتوي على الأوزون غير المستخدم، ينبغي أن يمر عبر وحدة تدمر الأوزون قبل أن يطلق في أتموجسم كروى. سوف تحتوي التفرعات التي تحتوي على الأوزون المخلوطة من خلالها على بعض الأوزون المذاب. بعد عمليات تحلل الأوزون، اترك التشتت للجلوس لمدة ساعة واحدة قبل إجراء المزيد من المعالجة بحيث يمكن أن يخضع الأوزون للتحلل الطبيعي.
Protocol
Representative Results
Discussion
When working with nanoparticles of high hardness, such as CNTs, the potential erosion effect on containers and tubing should not be overlooked. Step 1.14 in the protocol was inserted after the tubing became worn at a bend due to CNTs impinging on the tube side wall, causing a system leak.
Also, note that the CNTs are in suspension, not solution, and that they must be stirred before each use if a homogeneous suspension is desired. For example, this would be necessary to maintain the desired con…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وقد مول الكومنولث الاسترالي العنصر غير المتعلق بالمرتبات في العمل. وتعرب صاحبة البلاغ من جامعة ديلاوير عن امتنانها للدعم المقدم من مؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية (منحة رقم 1254540، د. ماري توني، مديرة البرنامج). ويشكر المؤلفان السيد مارك فيتزجيرالد على مساعدته في قياسات الترسب الكهربي.
Materials
| Ultrasonic bath | Soniclean | 80TD | |
| Ultrasonic horn | Misonix | S-4000-010 with CL5 converter | Daintree Scientific |
| Flocell stainless steel water jacketed | Misonix | 800BWJ | Daintree Scientific |
| Peristaltic pump | Masterflex easy-load | 7518-00 | |
| Controller for peristaltic pump | Masterflex modular controller | 7553-78 | |
| Ozone generator | Ozone Solutions | TG-20 | |
| Ozone destruct unit | Ozone Solutions | ODS-1 | |
| Recirculating liquid cooler | Thermoline | TRC2-571-T | |
| Multi-mode power supply unit | TTi | EX752M | |
| High resolution computing multimeter | TTi | 1906 | |
| X-ray photoelectron spectroscopy | Kratos Analytical | Axis Nova | |
| XPS analysis software | Casa Software | Casa XPS | www.casaxps.com |
| Kratos elemental library for use with Casa XPS | Casa Software | Download Kratos Related Files | http://www.casaxps.com/kratos/ |
| Raman dispersive confocal microscope | Thermo | DXR | |
| Field emission scanning electron microscope | Leo | 1530 VP | |
| Sputter coater with iridium target | Cressington | 208 HR | |
| Thickness measurement unit | Cressington | mtm 20 | |
| Magnetic stirrer | Stuart | CD162 | |
| Analytical balance | Kern | ALS 220-4N | |
| Analytical balance | Mettler Toledo | NewClassic MF MS 2045 | |
| Laboratory balance | Shimadzu | ELB 3000 | |
| Electrodes from 316 stainless steel sheet | RS Components | 559-199 | |
| Sanding sheets, P1000 grade | Norton | No-Fil A275 | |
| Multi-walled carbon nanotubes | Hanwha | CM-95 | http://hcc.hanwha.co.kr/eng/business/bus_table/nano_02.jsp |
| Graphene nanoplatelets | XG Sciences | XGNP Grade C | http://xgsciences.com/products/graphene-nanoplatelets/grade-c/ |
Riferimenti
- Pandey, G., Thostenson, E. T. Carbon Nanotube-Based Multifunctional Polymer Nanocomposites. Polym. Rev. 52 (3), 355-416 (2012).
- Das, T. K., Prusty, S. Graphene-Based Polymer Composites and Their Applications. Polym.-Plast. Technol. 52 (4), 319-331 (2013).
- Karger-Kocsis, J., Mahmood, H., Pegoretti, A. Recent advances in fiber/matrix interphase engineering for polymer composites. Prog. Mater. Sci. 73, 1-43 (2015).
- Qian, H., Greenhalgh, E. S., Shaffer, M. S. P., Bismarck, A. Carbon nanotube-based hierarchical composites: a review. J. Mater. Chem. 20 (23), 4751-4762 (2010).
- Hummers, W. S., Offeman, R. E. Preparation of graphitic oxide. J. Am. Chem. Soc. 80, 1339-1339 (1958).
- Shaffer, M. S. P., Fan, X., Windle, A. H. Dispersion and Packing of Carbon Nanotubes. Carbon. 36 (11), 1603-1612 (1998).
- Hamon, M. A., et al. Dissolution of Single-Walled Carbon Nanotubes. Adv. Mater. 11, 834-840 (1999).
- Low, C. T. J., et al. Electrochemical approaches to the production of graphene flakes and their potential applications. Carbon. 54, 1-21 (2013).
- Rider, A. N., et al. Hierarchical composites with high-volume fractions of carbon nanotubes: Influence of plasma surface treatment and thermoplastic nanophase-modified epoxy. Carbon. 94, 971-981 (2015).
- Tchoul, M. N., Ford, W. T., Lolli, G., Resasco, D. E., Arepalli, S. Effect of Mild Nitric Acid Oxidation on Dispersability, Size, and Structure of Single-Walled Carbon Nanotubes. Chem. Mater. 19, 5765-5772 (2007).
- Gong, X., Liu, J., Baskaran, S., Voise, R. D., Young, J. S. Surfactant-Assisted Processing of Carbon Nanotube/Polymer Composites. Chem. Mater. 12, 1049-1052 (2000).
- An, Q., Rider, A. N., Thostenson, E. T. Electrophoretic deposition of carbon nanotubes onto carbon-fiber fabric for production of carbon/epoxy composites with improved mechanical properties. Carbon. 50 (11), 4130-4143 (2012).
- An, Q., Rider, A. N., Thostenson, E. T. Heirarchical composite structures prepared by electrophoretic deposition of carbon nanotubes onto glass fibers. ACS Appl. Mater. Interfac. 5 (6), 2022-2032 (2013).
- Rider, A. N., An, Q., Thostenson, E. T., Brack, N. Ultrasonicated-ozone modification of exfoliated graphite for stable aqueous graphitic nanoplatelet dispersions. Nanotechnology. 25 (49), 495607 (2014).
- Fairley, N. . CasaXPS Manual 2.3.15 Introduction to XPS and AES, Rev. 1.2. , (2009).
- Leiro, J., Heinonen, M., Laiho, T., Batirev, I. Core-level XPS spectra of fullerene, highly oriented pyrolitic graphite, and glassy carbon. J. Electron Spectrosc. 128, 205-213 (2003).
- . . DXR Raman Instruments: Getting Started. , (2008).
- . . Cressington 208HR High Resolution Sputter Coater for FE-SEM: Operating Manual. , (2003).
- Krishnamoorthy, K., Veerapandian, M., Yun, K., Kim, S. -. J. The chemical and structural analysis of graphene oxide with different degrees of oxidation. Carbon. 53, 38-49 (2013).
- Hamaker, H. C. Formation of a Deposit by Electrophoresis. T. Faraday Soc. 35, 279-287 (1940).
- Rider, A. N., An, Q., Brack, N., Thostenson, E. T. Polymer nanocomposite – fiber model interphases: Influence of processing and interface chemistry on mechanical performance. Chem. Eng. J. 269, 121-134 (2015).
