Функционализация и дисперсия углеродных наноматериалов с использованием экологически чистого ультразвукового процесса озонолиза
Summary
Здесь описан новый способ функционализации и стабильной дисперсии углеродных наноматериалов в водных средах. Озон вводят непосредственно в водную дисперсию углеродного наноматериала, которая непрерывно рециркулируется через мощную ультразвуковую ячейку.
Abstract
Функционализация углеродных наноматериалов часто является критическим шагом, который облегчает их интеграцию в более крупные материальные системы и устройства. В полученной форме углеродные наноматериалы, такие как углеродные нанотрубки (УНТ) или гранатовые нанопластинки (ВНП), могут содержать крупные агломераты. Как агломераты, так и примеси уменьшат преимущества уникальных электрических и механических свойств, предлагаемых, когда УНТ или ВНП включены в полимеры или системы композитных материалов. Несмотря на то, что существует множество способов функционализации углеродных наноматериалов и создания стабильных дисперсий, многие процессы используют суровые химические вещества, органические растворители или поверхностно-активные вещества, которые являются экологически недружелюбными и могут увеличить нагрузку на обработку при изоляции наноматериалов для последующего использования. В настоящем исследовании подробно описывается использование альтернативного, экологически чистого метода для функционализации УНТ и ВНП. Он дает стабильные водные дисперсии без вредаUl химических веществ. Как УНТ, так и ВНП могут быть добавлены в воду при концентрациях до 5 г / л и могут быть рециркулированы через мощную ультразвуковую ячейку. Одновременная инъекция озона в клетку постепенно окисляет углеродные наноматериалы, а комбинированная ультразвуковая обработка разрушает агломераты и немедленно обнажает свежий материал для функционализации. Готовые дисперсии идеально подходят для осаждения тонких пленок на твердые подложки с использованием электрофоретического осаждения (EPD). УНТ и ВНП из водных дисперсий могут быть легко использованы для покрытия углеродных и стекловолокнистых волокон с использованием ЭПД для получения иерархических композиционных материалов.
Introduction
Использование углеродных наноматериалов для модификации полимерных и композиционных систем за последние 20 лет вызвало большой интерес к исследованиям. Недавние обзоры как использования углеродных нанотрубок 1 (УНТ), так и графеновых нанопластинок 2 (ВНП) свидетельствуют о широте исследований. Высокая удельная жесткость и прочность УНТ и ВНП, а также их высокая удельная электропроводность делают материалы идеально подходящими для включения в полимерные системы для повышения как механических, так и электрических характеристик нанокомпозитных материалов. УНТ и ВНП также использовались для разработки иерархических композитных структур с использованием углеродных наноматериалов для изменения как межфазной адгезии волокон, так и жесткости матрицы 3 , 4 .
Однородная дисперсия углеродных наноматериалов в полимерные системы часто требуетКоторые химически изменяют наноматериалы для улучшения химической совместимости с полимерной матрицей, удаления примесей и уменьшения или удаления агломератов из полученных материалов. Доступны различные способы химического модифицирования углеродных наноматериалов и могут включать мокрое химическое окисление с использованием сильных кислот 5 , 6 , модификацию поверхностно-активных веществ 7 , электрохимическую интеркаляцию и отслоение 8 или сухую химическую обработку с использованием плазменных процессов 9 .
Использование сильных кислот на стадии окисления УНТ вводит кислородные функциональные группы и удаляет примеси. Однако это имеет недостаток, заключающийся в значительно уменьшении длины УНТ, введении повреждений наружных стен УНТ и использовании опасных химических веществ, которые необходимо изолировать от обработанного материала для дальнейшей обработки 10 </ SUP>. Использование поверхностно-активных веществ в сочетании с ультразвуком предлагает менее агрессивный способ получения стабильных дисперсий, но поверхностно-активное вещество часто трудно удалить из обработанного материала и может несовместимо с полимером, используемым для получения нанокомпозитных материалов 1 , 11 . Сила химического взаимодействия между молекулой поверхностно-активного вещества и УНТ или ВНП также может быть недостаточной для механических применений. Процессы сухой плазменной обработки, проводимые в атмосферных условиях, могут быть пригодны для функционализации массивов УНТ, присутствующих на волокнистых или плоских поверхностях, используемых для подготовки иерархических композитов 9 . Однако атмосферную плазму сложнее наносить на сухие порошки и не решает проблемы с агломератами, присутствующими в необработанных углеродных наноматериалах.
В настоящей работе мы введем подробное описание ультразвука(USO), который мы ранее применяли к углеродным наноматериалам 12 , 13 , 14 . Процесс USO используется для получения стабильных водных дисперсий, подходящих для электрофоретического осаждения (EPD) как УНТ, так и ВНП на углеродные и стекловолокна. Будут предоставлены примеры EPD с использованием USO-функционализированных УНТ для осаждения тонких однородных пленок на подложки из нержавеющей стали и углеродной ткани. Также будут предоставлены методы и типичные результаты, используемые для химического описания функционализированных УНТ и ВНП, с использованием как рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS), так и спектроскопии комбинационного рассеяния. Будет представлено краткое обсуждение результатов оценки по сравнению с другими методами функционализации.
Уведомление о здоровье и безопасности труда
Эффект воздействия наночастиц, таких как УНТ, на здоровье человека, не совсем понятен. ЭтоРекомендуется принять специальные меры для сведения к минимуму воздействия и предотвращения загрязнения окружающей среды порошками УНТ. Предлагаемые меры по защите от опасных воздействий включают работу в холодильном шкафу HEPA и / или перчаточном ящике. Меры гигиены труда включают в себя надевание защитной одежды и двух слоев перчаток и регулярную чистку поверхностей с использованием влажных бумажных полотенец или пылесоса с фильтром HEPA для удаления плунжерных порошков УНТ. Загрязненные изделия должны быть помещены в мешки для удаления опасных отходов.
Воздействие озона может раздражать глаза, легкие и дыхательную систему, а при более высоких концентрациях может вызвать повреждение легких. Рекомендуется принять меры для сведения к минимуму личного и экологического воздействия генерируемого озонового газа. Меры изоляции включают работу в шкафу дыма. Поскольку поток возвратного воздуха будет содержать неиспользованный озон, его следует пропускать через узел разрушения озона, прежде чем выпустить его в атмосферусфера. Дисперсии, в которых пузырились озоны, будут содержать некоторые растворенные озоны. После операций озонолиза позвольте дисперсиям сидеть в течение 1 часа, прежде чем приступать к дальнейшей обработке, чтобы озон мог подвергнуться естественному разложению.
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
Неплатежеспособный компонент работы финансировался Австралийским Содружеством. Автор из Университета штата Делавэр с благодарностью признает поддержку Национального научного фонда США (грант № 1254540, доктор Мэри Тони, директор программы). Авторы благодарят г-на Марка Фицджеральда за помощь в проведении измерений электрофоретического осаждения.
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).
