Funcionalidade e Dispersão de Nanomateriais de Carbono Usando um Processo de Ozonólise Ultrasonicada Ambientalmente Amigável
Summary
Aqui, descreve-se um novo método para a funcionalização e dispersão estável de nanomateriais de carbono em ambientes aquosos. O ozônio é injetado diretamente em uma dispersão aquosa de nanomateriais de carbono que é continuamente recirculado através de uma célula ultra-sônica de alta potência.
Abstract
A funcionalidade dos nanomateriais de carbono é muitas vezes um passo crítico que facilita sua integração em sistemas e dispositivos de materiais maiores. Na forma assim recebida, os nanomateriais de carbono, como os nanotubos de carbono (CNTs) ou os nano plaquetas de grafeno (PNB), podem conter grandes aglomerados. Ambos os aglomerados e as impurezas diminuirão os benefícios das propriedades elétricas e mecânicas únicas oferecidas quando CNTs ou GNPs são incorporados em sistemas de polímeros ou materiais compostos. Embora existam diversos métodos para funcionarizar os nanomateriais de carbono e para criar dispersões estáveis, muitos processos utilizam produtos químicos agressivos, solventes orgânicos ou surfactantes, que são ambientalmente hostis e podem aumentar a carga de processamento ao isolar os nanomateriais para uso posterior. A pesquisa atual detalha o uso de uma técnica alternativa, ambientalmente amigável para a funcionalização de CNTs e PNBs. Produz dispersões estáveis e aquosas sem danosUl químicos. Tanto os CNT quanto os PNB podem ser adicionados à água em concentrações até 5 g / L e podem ser recirculados através de uma célula ultra-sônica de alta potência. A injeção simultânea de ozônio na célula oxida progressivamente os nanomateriais de carbono, e a ultra-sonografia combinada quebra os aglomerados e imediatamente expõe o material fresco para a funcionalização. As dispersões preparadas são ideais para a deposição de películas finas em substratos sólidos usando deposição eletroforética (EPD). CNTs e GNPs das dispersões aquosas podem ser facilmente usados para revestir fibras de reforço de carbono e vidro usando EPD para a preparação de materiais compostos hierárquicos.
Introduction
O uso de nanomateriais de carbono para modificar sistemas poliméricos e compostos tem sido intenso no interesse da pesquisa ao longo dos últimos 20 anos. Avaliações recentes sobre o uso de nanotubos de carbono 1 (CNTs) e nano plaquetas de grafeno 2 (PNBs) fornecem uma indicação da amplitude da pesquisa. A elevada rigidez e força específica de CNTs e GNPs, bem como sua alta condutividade elétrica intrínseca, tornam os materiais adequados para incorporação em sistemas poliméricos para melhorar o desempenho mecânico e elétrico dos materiais nanocompósitos. CNTs e GNPs também foram utilizados para o desenvolvimento de estruturas compostas hierárquicas, utilizando os nanomateriais de carbono para modificar a adesão interfacial de fibra e a rigidez da matriz 3 , 4 .
A dispersão homogênea de nanomateriais de carbono em sistemas poliméricos requer frequentementeEtapas de processamento, que alteram quimicamente os nanomateriais para melhorar a compatibilidade química com a matriz polimérica, remover impurezas e reduzir ou remover aglomerados dos materiais assim recebidos. Uma variedade de métodos para modificar quimicamente os nanomateriais de carbono estão disponíveis e podem incluir oxidação química molhada usando ácidos fortes 5 , 6 , modificação com surfactantes 7 , intercalação eletroquímica e esfoliação 8 , ou processamento químico seco usando processos à base de plasma 9 .
O uso de ácidos fortes no passo de oxidação de CNTs apresenta grupos funcionais de oxigênio e remove impurezas. No entanto, tem a desvantagem de reduzir significativamente o comprimento da CNT, introduzir danos nas paredes exteriores da CNT e usar produtos químicos perigosos, que precisam ser isolados do material tratado para processamento posterior 10 </ Sup>. O uso de surfactantes combinados com a ultra-sonografia oferece um método menos agressivo para preparar dispersões estáveis, mas o surfactante é muitas vezes difícil de remover do material tratado e pode não ser compatível com o polímero utilizado para preparar os materiais nanocompósitos 1 , 11 . A força da interação química entre a molécula de surfactante e CNT ou PNP também pode ser insuficiente para aplicações mecânicas. Os processos de tratamento de plasma seco realizados em condições atmosféricas podem ser adequados para a funcionalização de matrizes de CNTs, presentes em superfícies de fibra ou planar, usadas para preparar composições hierárquicas 9 . No entanto, o plasma atmosférico é mais difícil de aplicar em pós secos e não aborda os problemas com os aglomerados presentes nos nanomateriais de carbono bruto fabricados.
No presente trabalho, apresentamos uma descrição detalhada do ultra-somMétodo de ozonólise gelada (USO) que aplicamos anteriormente aos nanomateriais de carbono 12 , 13 , 14 . O processo USO é usado para preparar dispersões estáveis e aquosas que são adequadas para deposição eletroforética (EPD), tanto CNTs como GNPs em carbono e fibras de vidro. Exemplos de EPD que utilizam CNTs funcionalizados com USO para depositar filmes finos e uniformes em substratos de aço inoxidável e tecido de carbono serão fornecidos. Métodos e resultados típicos utilizados para caracterizar quimicamente os CNTs e GNPs funcionalizados também serão fornecidos, usando a espectroscopia de fotoelétrons de raio X (XPS) e a espectroscopia Raman. Será fornecida uma breve discussão dos resultados da caracterização em comparação com outras técnicas de funcionalização.
Aviso de Saúde e Segurança no Trabalho
Os efeitos da exposição a nanopartículas como CNTs, na saúde humana, não são bem compreendidos. istoRecomenda-se que sejam tomadas medidas especiais para minimizar a exposição e evitar contaminação ambiental com pós CNT. As medidas de isolamento de risco sugeridas incluem o trabalho dentro de uma armadilha HEPA e uma caixa de luvas equipada com filtro. As medidas de higiene no trabalho incluem o uso de roupas protetoras e duas camadas de luvas e a limpeza regular das superfícies usando toalhas de papel úmidas ou um aspirador de pó com um filtro HEPA para remover os pó de CNT perdidos. Os artigos contaminados devem ser embalados para eliminação de resíduos perigosos.
A exposição ao ozônio pode irritar os olhos, pulmões e sistema respiratório, e em concentrações mais elevadas pode causar danos nos pulmões. Recomenda-se que sejam tomadas medidas para minimizar a exposição pessoal e ambiental ao gás ozônio gerado. As medidas de isolamento incluem trabalhar dentro de uma chaminé. Como o fluxo de ar de retorno conterá o ozônio não utilizado, ele deve ser passado através de uma unidade de destruição de ozônio antes de liberar o atmoesfera. As dispersões que tiveram ozônio borbulharam através deles conterão algum ozônio dissolvido. Após as operações de ozonólise, permita que as dispersões permaneçam por 1 h antes de procederem ao processamento posterior, de modo que o ozônio possa sofrer decomposição natural.
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
O componente não salarial do trabalho foi financiado pela Commonwealth da Austrália. O autor da Universidade de Delaware agradece o apoio da US National Science Foundation (Grant # 1254540, Dr. Mary Toney, Diretor de Programa). Os autores agradecem ao Sr. Mark Fitzgerald por sua assistência com as medidas de deposição eletroforética.
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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