Functionalisatie en Dispersie van Koolstof Nanomaterialen Met behulp van een milieuvriendelijk Ultrasonicated Ozonolysis Proces
Summary
Hier wordt een nieuwe methode voor de functionalisatie en stabiele dispersie van koolstofnanomaterialen in waterige omgevingen beschreven. Ozon wordt direct ingespoten in een waterige dispersie van koolstof nanomateriaal, dat continu door een ultrasone cel met hoog vermogen wordt gerecirculeerd.
Abstract
Functionalisatie van carbon nanomaterialen is vaak een kritische stap die hun integratie in grotere materiaalsystemen en -apparaten vergemakkelijkt. In de ontvankelijke vorm kunnen koolstofnanomaterialen, zoals koolstofnanobuizen (CNT's) of grafene nanoplatellen (BNP's), grote agglomeraten bevatten. Beide agglomeraten en onzuiverheden verminderen de voordelen van de unieke elektrische en mechanische eigenschappen die worden aangeboden wanneer CNT's of BNP's zijn opgenomen in polymeren of composietmateriaal systemen. Hoewel er verschillende methoden zijn om carbon nanomaterialen te functionaliseren en stabiele dispersies te creëren, gebruiken veel processen hard chemicaliën, organische oplosmiddelen of oppervlakteactieve stoffen, die milieuvriendelijk zijn en kunnen de verwerkingslast vergroten bij het isoleren van de nanomaterialen voor daaropvolgend gebruik. In het huidige onderzoek wordt gedetailleerd gebruik gemaakt van een alternatieve, milieuvriendelijke techniek voor het functioneren van CNT's en BNP's. Het produceert stabiele, waterige dispersies vrij van schadeUl chemicaliën. Zowel CNT's als BNP's kunnen worden toegevoegd aan water in concentraties tot 5 g / L en kunnen via een ultrasone cel met hoog vermogen worden gerecirculeerd. De gelijktijdige injectie van ozon in de cel oxidiseert de koolstofnanomaterialen geleidelijk, en de gecombineerde ultrasonicatie breekt agglomeraten af en laat onmiddellijk vers materiaal voor functionalisatie bloot. De bereide dispersies zijn ideaal geschikt voor de afzetting van dunne films op vaste substraten onder toepassing van elektroforetische depositie (EPD). CNT's en BNP's uit de waterige dispersies kunnen gemakkelijk worden gebruikt om koolstof- en glasversterkende vezels te bekleden met behulp van EPD voor de bereiding van hiërarchische composietmaterialen.
Introduction
Het gebruik van carbon nanomaterialen om polymeer- en composiet systemen te wijzigen heeft de afgelopen 20 jaar intensief onderzoeksbelang getrokken. Recente beoordelingen over zowel het gebruik van carbon nanobuizen 1 (CNT's) en graphene nanoplatelets 2 (BNP's) geven een indicatie van de breedte van het onderzoek. De hoge specifieke stijfheid en sterkte van CNT's en BNP's, evenals hun hoge intrinsieke elektrische geleidbaarheid, maken de materialen ideaal voor inbouw in polymere systemen om zowel de mechanische als elektrische prestaties van de nanocomposiet materialen te verbeteren. CNT's en BNP's zijn ook gebruikt voor de ontwikkeling van hiërarchische composietstructuren door gebruik te maken van de koolstofnanomaterialen om zowel vezelinterfaciale hechting als matrixstijfheid 3 , 4 te wijzigen .
De homogene dispersie van koolstofnanomaterialen in polymere systemen vereist vaakVerwerkende stappen, die de nanomaterialen chemisch veranderen om de chemische compatibiliteit met de polymeermatrix te verbeteren, onzuiverheden te verwijderen en agglomeraten te reduceren of te verwijderen van de als ontvangen materialen. Verschillende methoden voor het chemisch aanpassen van koolstofnanomaterialen zijn beschikbaar en kunnen natte chemische oxidatie omvatten met behulp van sterke zuren 5 , 6 , modificatie met oppervlakteactieve stoffen 7 , elektrochemische intercalatie en afschilfering 8 of droge chemische verwerking met behulp van plasma-gebaseerde processen 9 .
Het gebruik van sterke zuren in de oxidatiestap van CNT's introduceert zuurstoffunctionele groepen en verwijdert onzuiverheden. Het heeft echter het nadeel om de CNT-lengte aanzienlijk te verminderen, schade aan de CNT-buitenmuren te introduceren en gevaarlijke chemische stoffen te gebruiken die van het behandelde materiaal moeten worden geïsoleerd voor verdere verwerking 10 </ Sup>. Het gebruik van oppervlakteactieve stoffen gecombineerd met ultrasonisatie biedt een minder agressieve methode om stabiele dispersies te bereiden, maar het oppervlakteactieve middel is vaak moeilijk te verwijderen uit het behandelde materiaal en kan niet compatibel zijn met het polymeer dat wordt gebruikt om de nanocomposietmaterialen 1 , 11 te bereiden. De kracht van de chemische interactie tussen het surfactantmolecuul en CNT of BNP kan ook onvoldoende zijn voor mechanische toepassingen. Droge plasmabehandelingsprocessen uitgevoerd onder atmosferische omstandigheden kunnen geschikt zijn voor het functionaliseren van arrays van CNT's, aanwezig op vezels of vlakke oppervlakken, die gebruikt worden om hiërarchische composieten 9 op te stellen . Het atmosferische plasma is echter moeilijker toe te passen op droge poeders en behandelt niet de problemen met agglomeraten die aanwezig zijn in as-vervaardigde ruwe koolstof nanomaterialen.
In het huidige werk introduceren we een gedetailleerde beschrijving van de ultrasonIco-ozonolyse (USO) methode die we eerder hebben toegepast op carbon nanomaterialen 12 , 13 , 14 . Het USO-proces wordt gebruikt om stabiele, waterige dispersies te bereiden die geschikt zijn voor de elektroforetische afzetting (EPD) van beide CNT's en BNP's op koolstof- en glasvezels. Voorbeelden van EPD met behulp van USO-gefunctionaliseerde CNT's om dunne, uniforme films op roestvast staal- en koolstofstof substraten te deponeren zullen worden verschaft. Methoden en typische resultaten die gebruikt worden om de gefunctionaliseerde CNT's en BNP's chemisch te karakteriseren zullen ook worden verschaft, met behulp van zowel röntgenfoto-elektronen spectroscopie (XPS) en Raman spectroscopie. Een korte bespreking van de karakteriseringsresultaten in vergelijking met andere functionalisatie technieken zal worden verstrekt.
Werk Gezondheids- en Veiligheidskennisgeving
De effecten van blootstelling aan nanodeeltjes, zoals CNT's, op de gezondheid van de mens zijn niet goed begrepen. HetWordt aanbevolen speciale maatregelen te treffen om de blootstelling te beperken en om milieuverontreiniging met CNT poeders te vermijden. Voorgestelde isolatiemaatregelen omvatten het werken in een HEPA-filteruitrusting met een droogkast en / of handschoenkist. Beroepshygiëne maatregelen omvatten het dragen van beschermende kleding en twee lagen handschoenen en het uitvoeren van regelmatige reiniging van oppervlakken met behulp van vochtige papieren handdoeken of een stofzuiger met een HEPA filter om verwijderde CNT poeders te verwijderen. Verontreinigde artikelen moeten verpakt worden voor verwijdering van gevaarlijke afvalstoffen.
Blootstelling aan ozon kan de ogen, longen en ademhalingswegen irriteren en bij hogere concentraties kunnen longschade ontstaan. Het wordt aanbevolen maatregelen te treffen om de persoonlijke en milieu-blootstelling aan gegenereerd ozongas te beperken. Isolatiemaatregelen omvatten het werken binnen een rookkast. Aangezien de retourluchtstroom ongebruikelijke ozon bevat, moet deze door een ozonvernietigingseenheid worden doorgegeven voordat hij in de atmo's komtgebied. Dispersies die ozon hebben geborreld door hen zullen een aantal opgeloste ozon bevatten. Na ozonolyse operaties, laat de dispersies 1 uur lang zitten voordat u verdere verwerking uitvoert, zodat de ozon natuurlijke afbraak kan ondergaan.
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…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Het niet-salariscomponent van het werk werd gefinancierd door het Gemenebest van Australië. De auteur van de Universiteit van Delaware erkent dankbaar de steun van de Amerikaanse National Science Foundation (Grant # 1254540, dr. Mary Toney, Program Director). De auteurs bedanken meneer Mark Fitzgerald voor zijn hulp bij de elektroforetische afzettingsmetingen.
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/ |
References
- 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).
