Funzionalizzazione e dispersione dei nanomateriali del carbonio utilizzando un processo di ozonolisi ecologico ecologico
Summary
Qui viene descritto un nuovo metodo per la funzionalizzazione e la dispersione stabile di nanomateriali di carbonio in ambienti acquosi. L'ozono viene iniettato direttamente in una dispersione acquosa di nanomateriale del carbonio che viene continuamente ricircolata attraverso una cellula ad ultrasuoni ad alta potenza.
Abstract
La funzionalizzazione dei nanomateriali del carbonio è spesso un passo fondamentale che facilita la loro integrazione in più grandi sistemi e dispositivi. Nella forma ricevuta, i nanomateriali del carbonio, come i nanotubi di carbonio (CNT) oi nanoplatelle di grafene (GNP), possono contenere grandi agglomerati. Entrambi gli agglomerati e le impurità diminuiranno i vantaggi delle proprietà elettriche e meccaniche uniche quando i CNT oi GNP sono incorporati nei sistemi di polimeri o materiali compositi. Mentre esistono vari metodi per funzionalizzare i nanomateriali del carbonio e per creare dispersioni stabili, molti processi utilizzano sostanze chimiche dure, solventi organici o tensioattivi, che non sono rispettosi dell'ambiente e possono aumentare l'onere di elaborazione durante l'isolamento dei nanomateriali per un successivo utilizzo. L'attuale ricerca specifica l'uso di una tecnica alternativa e rispettosa dell'ambiente per la funzionalizzazione di CNT e GNP. Produce dispersioni stabili e acquose senza alcun dannoUl prodotti chimici. Entrambe le CNT e GNP possono essere aggiunte all'acqua a concentrazioni fino a 5 g / L e possono essere ricircolate attraverso una cella ad ultrasuoni ad alta potenza. L'iniezione simultanea di ozono nella cellula ossida progressivamente i nanomateriali del carbonio e l'ultrasonografia combinata rompe gli agglomerati e immediatamente espone materiale fresco per la funzionalizzazione. Le dispersioni preparate sono ideali per la deposizione di film sottili su substrati solidi utilizzando depositi elettroforetici (EPD). CNT e GNP dalle dispersioni acquose possono essere facilmente utilizzate per ricoprire fibre di carbonio e di rinforzo di vetro utilizzando EPD per la preparazione di materiali compositi gerarchici.
Introduction
L'utilizzo di nanomateriali di carbonio per la modifica dei sistemi polimerici e compositi ha visto un interesse intensivo di ricerca negli ultimi 20 anni. Le recenti recensioni sia sull'utilizzo dei nanotubi di carbonio 1 (CNT) e dei nanoplatelle 2 di grafene (GNP) forniscono un'indicazione della portata della ricerca. L'elevata rigidità e resistenza specifica delle CNT e dei GNP, nonché la loro elevata conducibilità elettrica intrinseca, rendono i materiali ideali per l'inserimento in sistemi polimerici per migliorare sia le prestazioni meccaniche che elettriche dei materiali nanocompositi. Le CNT e GNP sono state utilizzate anche per lo sviluppo di strutture composite gerarchiche usando i nanomateriali del carbonio per modificare sia l'adesione ad interfacciamento a fibre che la rigidità della matrice 3 , 4 .
La dispersione omogenea dei nanomateriali del carbonio nei sistemi polimerici richiede spessoI processi che modificano chimicamente i nanomateriali per migliorare la compatibilità chimica con la matrice polimerica, eliminano le impurità e riducono o rimuovono agglomerati dai materiali as-received. Sono disponibili vari metodi per modificare chimicamente i nanomateriali del carbonio e possono includere l'ossidazione chimica umida utilizzando acidi forti 5 , 6 , modifica con tensioattivi 7 , intercalazione elettromeccanica e esfoliazione 8 , o trattamento chimico secco utilizzando processi basati su plasma 9 .
L'uso di acidi forti nella fase di ossidazione delle CNT introduce gruppi funzionali di ossigeno e rimuove le impurità. Tuttavia, ha lo svantaggio di ridurre significativamente la lunghezza CNT, introducendo danni alle pareti esterne CNT e utilizzando sostanze chimiche pericolose che devono essere isolate dal materiale trattato per ulteriori trattamenti 10 </ Sup>. L'impiego di tensioattivi combinati con ultrasonografia offre un metodo meno aggressivo per preparare dispersioni stabili, ma il tensioattivo è spesso difficile da rimuovere dal materiale trattato e non può essere compatibile con il polimero utilizzato per la preparazione dei materiali nanocompositi 1 , 11 . La forza dell'interazione chimica tra la molecola del tensioattivo e la CNT o il GNP può anche essere insufficiente per applicazioni meccaniche. I processi di trattamento a plasma secco condotti in condizioni atmosferiche possono essere adatti per la funzionalizzazione di matrici di CNT, presenti su superfici di fibre o piane, utilizzate per la preparazione di compositi gerarchici 9 . Tuttavia, il plasma atmosferico è più difficile da applicare alle polveri secche e non affronta i problemi con gli agglomerati presenti nei nanomateriali del carbonio grezzo.
Nel presente lavoro, introduciamo una descrizione dettagliata dell'ultrasondaZione-ozonolisi (USO) che abbiamo applicato in precedenza ai nanomateriali del carbonio 12 , 13 , 14 . Il processo USO viene utilizzato per preparare dispersioni stabili e acquose adatte per depositare elettroforeticamente (EPD) sia CNT che GNP su fibre di carbonio e di vetro. Saranno forniti esempi di EPD usando le CNT USO-funzionalizzate per depositare film sottili e uniformi su substrati in acciaio inox e in carbonio. Saranno fornite anche metodi e risultati tipici utilizzati per caratterizzare chimicamente le CNT e GNP funzionalizzate, utilizzando sia la spettroscopia di fotoelettronica a raggi X (XPS) che la spettroscopia Raman. Verrà fornita una breve discussione dei risultati di caratterizzazione rispetto ad altre tecniche di funzionalizzazione.
Avviso di salute e sicurezza sul lavoro
Gli effetti dell'esposizione a nanoparticelle come le CNT, sulla salute umana non sono ben compresi. essoSi raccomanda di adottare misure speciali per ridurre al minimo l'esposizione e la contaminazione ambientale con le polveri CNT. Le misure suggerite per l'isolamento del rischio includono la lavorazione all'interno di un armadio fumi e / o di un guanto di protezione del filtro HEPA. Le misure di igiene del lavoro includono indossare indumenti protettivi e due strati di guanti e eseguire regolarmente la pulizia delle superfici con asciugamani di carta umida o un aspirapolvere con un filtro HEPA per rimuovere le polveri CNT straordinarie. Gli articoli contaminati devono essere imballati per lo smaltimento dei rifiuti pericolosi.
L'esposizione all'ozono può irritare gli occhi, i polmoni e il sistema respiratorio e a concentrazioni più elevate può causare danni ai polmoni. Si raccomanda di adottare misure per ridurre al minimo l'esposizione personale e ambientale al gas ozono generato. Le misure di isolamento includono il lavoro all'interno di un armadio di fumo. Poiché il flusso dell'aria di ritorno contengono l'ozono non utilizzato, dovrebbe essere passato attraverso un'unità di distruzione dell'ozono prima di essere rilasciata nell'atmosfera. Le dispersioni che hanno fatto bollire l'ozono attraverso di essi contengono un certo ozono disciolto. Dopo le operazioni di ozonolisi, consentire alle dispersioni di rimanere per 1 ora prima di procedere ad un'ulteriore lavorazione in modo che l'ozono possa subire una decomposizione naturale.
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
La componente non salariale del lavoro è stata finanziata dal Commonwealth of Australia. L'autore dell'Università di Delaware riconosce con gratitudine il sostegno della US National Science Foundation (Grant # 1254540, Dr. Mary Toney, Direttore Programmi). Gli autori ringraziano il sig. Mark Fitzgerald per la sua assistenza con le misure di deposizione elettroforetica.
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
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