Funktionalisierung und Dispersion von Kohlenstoff-Nanomaterialien mit einem umweltfreundlichen Ultraschall-Ozonolyse-Prozess
Summary
Hier wird ein neuartiges Verfahren zur Funktionalisierung und stabilen Dispersion von Kohlenstoff-Nanomaterialien in wässrigen Umgebungen beschrieben. Ozon wird direkt in eine wässrige Dispersion von Kohlenstoff-Nanomaterial injiziert, die kontinuierlich durch eine hochleistungsfähige Ultraschallzelle rezirkuliert wird.
Abstract
Die Funktionalisierung von Kohlenstoff-Nanomaterialien ist oft ein kritischer Schritt, der ihre Integration in größere Materialsysteme und Geräte erleichtert. In der so erhaltenen Form können Kohlenstoff-Nanomaterialien wie Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNTs) oder Graphen-Nanoplättchen (GNPs) große Agglomerate enthalten. Sowohl Agglomerate als auch Verunreinigungen werden die Vorteile der einzigartigen elektrischen und mechanischen Eigenschaften verringern, die angeboten werden, wenn CNTs oder GNPs in Polymere oder Verbundwerkstoffsysteme eingebaut werden. Während es eine Vielzahl von Methoden gibt, um Kohlenstoff-Nanomaterialien zu funktionalisieren und stabile Dispersionen zu erzeugen, verwenden viele Prozesse harte Chemikalien, organische Lösungsmittel oder Tenside, die umweltfreundlich sind und die Verarbeitungsbelastung bei der Isolierung der Nanomaterialien für die nachfolgende Verwendung erhöhen können. Die aktuelle Forschung Details die Verwendung einer alternativen, umweltfreundliche Technik für die Funktionalisierung CNTs und BSPs. Es produziert stabile, wässrige Dispersionen frei von SchadenUl Chemikalien. Beide CNTs und GNPs können bei Konzentrationen bis zu 5 g / l Wasser zugesetzt werden und können über eine hochleistungsfähige Ultraschallzelle rezirkuliert werden. Die gleichzeitige Injektion von Ozon in die Zelle oxidiert die Kohlenstoff-Nanomaterialien allmählich, und die kombinierte Ultraschallbehandlung zersetzt Agglomerate und stellt sofort frisches Material für die Funktionalisierung bereit. Die hergestellten Dispersionen eignen sich hervorragend zur Abscheidung von Dünnfilmen auf festen Substraten mittels elektrophoretischer Abscheidung (EPD). CNTs und GNPs aus den wässrigen Dispersionen können leicht zur Beschichtung von kohlenstoff- und glasverstärkenden Fasern unter Verwendung von EPD zur Herstellung von hierarchischen Verbundwerkstoffen verwendet werden.
Introduction
Die Verwendung von Kohlenstoff-Nanomaterialien zur Modifizierung von Polymer- und Verbundwerkstoffen hat in den vergangenen 20 Jahren intensives Forschungsinteresse gesehen. Aktuelle Untersuchungen über die Verwendung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen 1 (CNTs) und Graphen-Nanoplättchen 2 (GNPs) geben einen Hinweis auf die Breite der Forschung. Die hohe spezifische Steifigkeit und Festigkeit von CNTs und GNPs sowie ihre hohe intrinsische elektrische Leitfähigkeit machen die Materialien ideal für den Einbau in polymere Systeme geeignet, um sowohl die mechanische als auch die elektrische Leistung der Nanokompositmaterialien zu verbessern. CNTs und GNPs wurden auch für die Entwicklung von hierarchischen Verbundstrukturen verwendet, indem die Kohlenstoff-Nanomaterialien verwendet wurden, um sowohl die Faser-Grenzflächenhaftung als auch die Matrixsteifigkeit 3 , 4 zu modifizieren.
Die homogene Dispersion von Kohlenstoff-Nanomaterialien in polymeren Systemen erfordert oftVerarbeitungsschritte, die die Nanomaterialien chemisch verändern, um die chemische Verträglichkeit mit der Polymermatrix zu verbessern, Verunreinigungen zu entfernen und Agglomerate aus den so erhaltenen Materialien zu reduzieren oder zu entfernen. Eine Vielzahl von Verfahren zur chemischen Modifizierung von Kohlenstoff-Nanomaterialien ist verfügbar und kann eine nasschemische Oxidation unter Verwendung von starken Säuren 5 , 6 , Modifikation mit Tensiden 7 , elektrochemischer Interkalation und Peeling 8 oder trockenchemische Verarbeitung unter Verwendung von Plasma-basierten Verfahren 9 umfassen .
Die Verwendung von starken Säuren im Oxidationsschritt von CNTs führt sauerstofffunktionelle Gruppen ein und entfernt Verunreinigungen. Allerdings hat es den Nachteil, die CNT-Länge deutlich zu reduzieren, Schäden an den CNT-Außenwänden einzuführen und gefährliche Chemikalien zu verwenden, die aus dem behandelten Material zur weiteren Verarbeitung 10 < isoliert werden müssen/ Sup>. Die Verwendung von oberflächenaktiven Mitteln, kombiniert mit Ultraschall, bietet eine weniger aggressive Methode, um stabile Dispersionen herzustellen, aber das Tensid ist oft schwer von dem behandelten Material zu entfernen und kann nicht kompatibel mit dem Polymer sein, das zur Herstellung der Nanokompositmaterialien 1 , 11 verwendet wird . Die Stärke der chemischen Wechselwirkung zwischen dem Tensidmolekül und CNT oder GNP kann auch für mechanische Anwendungen unzureichend sein. Trockene Plasmabehandlungsverfahren, die unter atmosphärischen Bedingungen durchgeführt werden, können zur Funktionalisierung von Anordnungen von CNTs geeignet sein, die auf Faser- oder ebenen Oberflächen vorhanden sind und zur Herstellung von hierarchischen Verbundwerkstoffen verwendet werden 9 . Allerdings ist das atmosphärische Plasma schwieriger für trockene Pulver anzuwenden und behandelt nicht die Probleme mit Agglomeraten, die in so hergestellten Rohkohlenstoff-Nanomaterialien vorhanden sind.
In der vorliegenden Arbeit stellen wir eine detaillierte Beschreibung des Ultraschalls vorIced-ozonolyse (USO), die wir bisher auf Kohlenstoff-Nanomaterialien 12 , 13 , 14 angewendet haben . Das USO-Verfahren wird verwendet, um stabile, wässrige Dispersionen herzustellen, die für die elektrophoretische Abscheidung (EPD) sowohl CNTs als auch GNPs auf Kohlenstoff- und Glasfasern geeignet sind. Beispiele für EPD unter Verwendung von USO-funktionalisierten CNTs zum Abscheiden dünner, gleichförmiger Filme auf rostfreiem Stahl und Kohlenstoffgewebesubstraten werden bereitgestellt. Verfahren und typische Ergebnisse, die zur chemischen Charakterisierung der funktionalisierten CNTs und GNPs verwendet werden, werden auch unter Verwendung sowohl der Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) als auch der Raman-Spektroskopie bereitgestellt. Eine kurze Diskussion der Charakterisierungsergebnisse im Vergleich zu anderen Funktionalisierungstechniken wird zur Verfügung gestellt.
Arbeitssicherheit und Sicherheitshinweise
Die Auswirkungen der Exposition gegenüber Nanopartikeln wie CNTs, auf die menschliche Gesundheit sind nicht gut verstanden. EsWird empfohlen, besondere Maßnahmen zu ergreifen, um die Exposition gegenüber der Vermeidung von Umweltverschmutzungen mit CNT-Pulvern zu minimieren. Vorgeschlagene Gefahrenisolationsmaßnahmen umfassen die Arbeit in einem HEPA-Filter-ausgestatteten Abzug und / oder Handschuhfach. Arbeitshygienemaßnahmen beinhalten das Tragen von Schutzbekleidung und zwei Handschuhs und die regelmäßige Reinigung von Oberflächen mit feuchten Papiertüchern oder einem Staubsauger mit einem HEPA-Filter, um streunende CNT-Pulver zu entfernen. Verunreinigte Gegenstände sollten zur Entsorgung von gefährlichen Abfällen verpackt werden.
Die Ozonbelastung kann die Augen, die Lunge und die Atmungsorgane reizen und bei höheren Konzentrationen Lungenschäden verursachen. Es wird empfohlen, Maßnahmen zu ergreifen, um die persönliche und umweltbezogene Exposition gegenüber erzeugtem Ozongas zu minimieren. Isolationsmaßnahmen umfassen die Arbeit in einem Abzug. Da der Rückluftstrom unbenutztes Ozon enthält, sollte es durch eine Ozonzerstörungseinheit geleitet werden, bevor es in die atmo freigegeben wirdKugel. Dispersionen, die Ozon durch sie geblasen haben, enthalten einige gelöste Ozon. Nach Ozonolyse-Operationen lassen sich die Dispersionen für 1 h sitzen, bevor sie eine weitere Verarbeitung durchführen, damit das Ozon einer natürlichen Zersetzung unterliegen kann.
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
Die Nicht-Gehaltskomponente der Arbeit wurde vom Commonwealth of Australia finanziert. Der Autor der Universität von Delaware würdigt die Unterstützung der US National Science Foundation (Grant # 1254540, Dr. Mary Toney, Programmdirektor). Die Autoren danken Herrn Mark Fitzgerald für seine Unterstützung bei den elektrophoretischen Abscheidungsmessungen.
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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