Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Environment
Click here for the English version

Environment

Funktionalisering og dispersion af carbon nanomaterialer ved anvendelse af en miljøvenlig ultralydet ozonolyseproces

Published: May 30, 2017 doi: 10.3791/55614
Automatic Translation
1, 2, 3, 4,5,6, 1
1Aerospace Division, Defence Science and Technology Group, 2Maritime Division, Defence Science and Technology Group, 3Department of Chemistry and Physics, La Trobe Institute for Molecular Science, La Trobe University, 4Department of Mechanical Engineering, University of Delaware, 5Department of Materials Science and Engineering, University of Delaware, 6Center for Composite Materials, University of Delaware

Summary

Her beskrives en ny metode til funktionalisering og stabil dispersion af carbon nanomaterialer i vandige omgivelser. Ozon injiceres direkte i en vandig dispersion af carbon nanomateriale, der kontinuerligt recirkuleres gennem en ultralydcelle med høj effekt.

Abstract

Funktionalisering af carbon nanomaterialer er ofte et kritisk trin, der letter deres integration i større materielle systemer og enheder. I den modtagne form kan carbon nanomaterialer, såsom carbon nanorør (CNT) eller grafen nanoplateletter (BNP), indeholde store agglomerater. Begge agglomerater og urenheder vil reducere fordelene ved de unikke elektriske og mekaniske egenskaber, der tilbydes, når CNT'er eller BNI'er indgår i polymerer eller kompositmaterialesystemer. Mens der findes forskellige metoder til at funktionalisere carbon nanomaterialer og for at skabe stabile dispersioner, bruger mange processer hårde kemikalier, organiske opløsningsmidler eller overfladeaktive stoffer, der er miljøvenlige og kan øge forarbejdningsproblemerne, når nanomaterialerne isoleres til senere brug. Den nuværende forskning detaljerer anvendelsen af ​​en alternativ, miljøvenlig teknik til funktionalisering af CNT'er og BNP'er. Det frembringer stabile vandige dispersioner fri for skadeUl kemikalier. Både CNT og BNP kan tilsættes til vand i koncentrationer på op til 5 g / L og kan recirkuleres gennem en ultralydcelle med høj effekt. Den samtidige injektion af ozon i cellen oxiderer progressivt carbon nanomaterialerne, og den kombinerede ultralydning nedbryder agglomerater og udsætter straks frisk materiale til funktionalisering. De fremstillede dispersioner er ideelt egnet til aflejring af tynde film på faste substrater under anvendelse af elektroforetisk aflejring (EPD). CNT'er og BNP'er fra de vandige dispersioner kan let anvendes til at belægge carbon- og glasforstærkende fibre ved anvendelse af EPD til fremstilling af hierarkiske kompositmaterialer.

Introduction

Anvendelsen af ​​carbon nanomaterialer til ændring af polymere og sammensatte systemer har haft en intensiv forskningsinteresse i løbet af de sidste 20 år. Seneste anmeldelser om både anvendelsen af ​​carbon nanorør 1 (CNT) og grafen nanoplatelets 2 (BNP) giver en indikation af forskningsforskningen. Den høje specifikke stivhed og styrke af CNT'er og BNP'er samt deres høje elektriske ledningsevne gør materialerne ideelt egnet til integration i polymersystemer for at forbedre både den mekaniske og elektriske ydeevne af de nanokompositmaterialer. CNT'er og BNI'er er også blevet brugt til udvikling af hierarkiske kompositstrukturer ved at anvende carbon nanomaterialerne til at modificere både fibergrænsefladens adhæsion og matrixstivhed 3 , 4 .

Den homogene dispersion af carbon nanomaterialer i polymersystemer kræver ofteForarbejdningstrin, som kemisk ændrer nanomaterialerne for at forbedre den kemiske kompatibilitet med polymermatrixen, fjerne urenheder og reducere eller fjerne agglomerater fra de modtagne materialer. En række forskellige metoder til kemisk modifikation af carbon nanomaterialer er tilgængelige og kan omfatte våd kemisk oxidation ved anvendelse af stærke syrer 5 , 6 , modifikation med overfladeaktive stoffer 7 , elektrokemisk interkalering og exfoliering 8 eller behandling af tør kemikalier ved anvendelse af plasmabaserede processer 9 .

Brugen af ​​stærke syrer i oxidationstrinnet af CNT'er indfører iltfunktionelle grupper og fjerner urenheder. Det har imidlertid ulempen ved at reducere CNT-længden signifikant, indføre skade på CNT ydre vægge og ved anvendelse af farlige kemikalier, som skal isoleres fra det behandlede materiale til yderligere behandling 10 </ Sup>. Anvendelsen af ​​overfladeaktive stoffer kombineret med ultralydbehandling giver en mindre aggressiv metode til fremstilling af stabile dispersioner, men det overfladeaktive middel er ofte vanskeligt at fjerne fra det behandlede materiale og kan ikke være kompatibelt med polymeren, der anvendes til fremstilling af de nanokompositmaterialer 1 , 11 . Styrken af ​​den kemiske interaktion mellem det overfladeaktive molekyle og CNT eller BNP kan også være utilstrækkeligt til mekaniske anvendelser. Tørre plasmabehandlingsprocesser, der udføres under atmosfæriske betingelser, kan være egnede til funktionalisering af arrayer af CNT'er, der er til stede på fiber eller plane overflader, der anvendes til fremstilling af hierarkiske kompositter 9 . Det atmosfæriske plasma er imidlertid vanskeligere at anvende på tørre pulvere og løser ikke problemerne med agglomerater, der er til stede i som fremstillede råcarbonnanomaterialer.

I det nuværende arbejde introducerer vi en detaljeret beskrivelse af ultralydetIcated-ozonolysis (USO) metode, som vi tidligere har anvendt til carbon nanomaterialer 12 , 13 , 14 . USO-processen anvendes til fremstilling af stabile vandige dispersioner, der er egnede til elektroforetisk afsætning (EPD) af både CNT'er og BNP'er på carbon- og glasfibre. Eksempler på EPD ved anvendelse af USO-funktionaliserede CNT'er til at deponere tynde ensartede film på rustfrit stål og carbonstofsubstrater vil blive tilvejebragt. Metoder og typiske resultater, der bruges til kemisk karakterisering af de funktionaliserede CNT'er og BNP'er, vil også blive tilvejebragt under anvendelse af både røntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) og Raman-spektroskopi. En kort diskussion af karakteriseringsresultaterne i sammenligning med andre funktionaliseringsteknikker vil blive tilvejebragt.

Arbejdsmiljøbeskyttelse

Virkningerne af eksponering for nanopartikler, såsom CNT'er, for menneskers sundhed forstås ikke godt. DetDet anbefales, at der træffes særlige foranstaltninger for at minimere eksponeringen og undgå miljøforurening med CNT-pulvere. Foreslåede fareisoleringsforanstaltninger omfatter arbejde inden for et HEPA-filterudstyret røgskab og / eller handskerum. Arbejdsmiljøforanstaltninger omfatter beskyttelse af beskyttelses tøj og to lag af handsker og regelmæssig rengøring af overflader ved brug af fugtige papirhåndklæder eller en støvsuger med et HEPA filter til fjernelse af flydende CNT pulvere. Forurenede genstande bør pakkes til bortskaffelse af farligt affald.

Eksponering for ozon kan irritere øjne, lunger og åndedrætsorganer, og i højere koncentrationer kan forårsage lungeskader. Det anbefales, at der træffes foranstaltninger for at minimere personlig og miljømæssig eksponering for dannet ozon gas. Isoleringsforanstaltninger omfatter arbejde indenfor et røgskab. Da returluftstrømmen vil indeholde ubrugt ozon, skal det føres gennem en ozon destruktionsenhed, inden den slippes ud i atmosfærensfære. Dispersioner, der har haft ozon boblet gennem dem, vil indeholde noget opløst ozon. Efter ozonolyse-operationer skal dispersionerne sættes i 1 time, inden der foretages yderligere forarbejdning, så ozonet kan gennemgå en naturlig nedbrydning.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Funktionalisering af CNT og BNP ved ultralydsonzonolyse

  1. Væg nanomaterialerne i en handskasse inde i et HEPA filterudstyret røgskab. Væg den ønskede mængde nanomaterialer i et bægerglas. Overfør til en flaske og tilsæt ultralugt vand for at opnå en koncentration på 1 g / L.
  2. Tæt flasken med låg. Ultralyd i et standard ultralydbad (se Materialeliste, frekvens: ~ 43 ± 2 kHz, effekt: 60 W) for at sprede CNT'erne eller BNP'erne.
    BEMÆRK: FORSIGTIG. Se Arbejds- og sikkerhedsmeddelelsen ovenfor.
  3. Hæld forsigtigt nanomaterialesuspensionen i en reaktorkolbe indeholdende en magnetisk omrørerstang. Fastgør et reaktorkolbeksel med tilstrækkelige porte til ozon- og ultralydshornindgange og -udgange. Placer dette på en omrøringsplade og tænd magnetisk omrører ved at justere drejeknappen for at forhindre CNT'erne i at løsne sig ud af suspensionen.
  4. Monter ultralydshornet i ultralydscellen og kontroller, at hornetTip er i god stand. Se figur 1 .

figur 1
Figur 1: Ultralydsonzonolysesystem. Dette skematiske diagram illustrerer, hvordan man forbinder de forskellige elementer i ultralydsonzonolysesystemet. Klik her for at se en større version af denne figur.

  1. Brug silicone slanger til at forbinde reaktoren, ultralydscellen og peristaltikpumpen. Se figur 1 .
  2. Indsæt ozonbobleren i reaktoren og tilslut den til ozongeneratoren.
    BEMÆRK: FORSIGTIG. Se Arbejds- og sikkerhedsmeddelelsen ovenfor.
  3. Tilslut den recirkulerende væskeafkølingsenhed til en kølespole (for at afkøle reaktoren) og til ultralydcelle-kølekappen. Drej kontakten for at tænde det recirkulerende væskekøleG enhed til afkøling af ozonreaktoren og ultralydscellen. Sørg for, at kølevæsken strømmer gennem både ultralydscellen og reaktorkølebadet.
    1. Brug et termoelement forbundet til ultralyds hornstyringsenheden til at måle reaktortemperaturen. Vent, indtil systemet er afkølet til 5 ° C.
  4. Anbring reaktorkolben med CNT'erne i position. Indsæt ozon diffusoren i bunden af ​​reaktorkolben, så den er helt nedsænket. Sørg for, at udløbsrøret til ultralydcellen er nedsænket mindst 25 mm under dispersionsoverfladen.
    1. Tilslut udløbsrøret fra reaktoren til ozon destruktorenheden ved brug af samme silikonslange som i peristaltisk pumpeprocessen. Brug af en vandbobler på udløbssiden af ​​ozonforstærkeren er valgfri, men det hjælper med at opfange resterende ozon og giver en indikation af, at ozongeneratoren er tilsluttet og fungerer korrekt.
  5. Sluk iltforsyningen til ozongeneratoren og juster ventilen for at opnå en 0,5-l / min strømningshastighed gennem ozongeneratoren.
  6. Tænd ozongeneratoren ved at vende omskifteren. Lad det løbe i 30-60 minutter, inden pumpen eller ultralydprocessen påbegyndes.
  7. Tænd den peristaltiske pumpe, juster den til 0,67 Hz ved at dreje pumpeskiven til en indstilling på ca. 5 eller 6, og sørg for, at CNT-dispersionen flyder jævnt gennem cellen.
    1. Tænd ultralydshornet og juster strømmen til 60 W ved at indtaste denne værdi i kontrolmodulet under manuel betjeningsmenu.
    2. Ved første idrifttagning skal rammen indstilles langsomt for at opnå den ønskede effekt på 60 W.
      BEMÆRK: Ultralydshornet fungerer ved 20 kHz. Amplitudindstillingen og effektindstillingen er normalt af tilsvarende værdier, men ved initial opstart må amplitudeindstillingen muligvis langsomt øges for at opnå ønsketD effektudgang på 60 W.
  8. Overhold sonikationsprocessen i mindst 30 minutter for at sikre stabil pumpning og ultralyd hornoperation.
  9. Overvåg det fleksible rør i direkte kontakt med den peristaltiske pumpe mekanisme for slitage. Juster rørpositionen mindst hver anden time for at sikre, at slangen holder integriteten. Udskift slangen til hvert separat carbon nanomateriales forarbejdningsløb.
  10. Når den ønskede USO-behandlingstid er gået, skal du trykke på kontakterne for at slukke for ozongeneratoren, sonikatoren og pumpen. Opretholde omrøring, indtil carbon nanomaterialespredningen er klar til overførsel til en forseglet beholder til senere anvendelse ved elektroforetisk afsætning.
    1. Vent omkring 1 time, inden dispersionen overføres, så ozon i opløsning kan nedbrydes.
  11. Hvis elektroforese ikke udføres inden for 24 timer med USO-behandling, sonikere nanomaterialespredningen igen for at minimere antallet af partiklerS afregning ud af dispersion. Indsæt sonic hornet i flasken af ​​carbon nanomaterial dispersion og sonikat (som ovenfor) i 30 minutter før brug.

2. Elektroforese

  1. Forbered tre rustfrit stål elektroder, 60 mm (L) x 25 mm (W), fra 0,2 mm arkmateriale.
    1. Abrade elektroderne ved hjælp af P1000 aluminiumoxid sandpapir med ultralugt vand som smøremiddel. Efter slibningen skal elektroderne placeres i ultralydsrengøringsbadet og rengøres i 10 minutter i ultralugt vand.
  2. Anbring elektroden til anodaflejring i en ren ovn ved 100 ° C og tør det i 10 minutter. Flyt elektroden til en tørremiddel og lad den køle af. Væg elektroden på en 4-figur analytisk balance.
  3. Optag elektrodenes vægt til fire decimaler som den ubelagte vægt i gram. Tør de resterende to elektroder og opbevar dem i tørremidlet til brug som katoder til deposition.
  4. Ved hjælp af et passende fastspændingsarrangement (se figur 2 ), såsom en lille skruestik og 10 mm ikke-ledende plastafstandsstykker, samles elektroderne, idet de ydre elektroder anvendes som katoderne og den indre elektrode som anoden.

Figur 2
Figur 2: Elektroforetisk deponeringscelle. Dette skematiske diagram illustrerer konfigurationen af ​​den elektroforetiske aflejringscelle. Klik her for at se en større version af denne figur.

  1. Overfør 35 ml carbon nanomaterialespredning til et 50 ml bægerglas.
  2. Placer rustfrit stål-elektrodefastgørelsen på en retortstand og sænk langsomt elektroderne til hele bægerets dybde. Fastgør den positive terminal på DC-strømforsyningen til den centrale rustfrit stål anode. Sæt den negative terminal på DC-strømforsyningen til den ydre katode. Forbind de to ydre katoder med en bly med alligator clips.
  3. Hvis der kræves nøjagtige aktuelle målinger, skal du tilslutte et multimeter i serie med strømforsyningsenheden og elektroderne for at muliggøre overvågning under aflejring.
  4. Manuel justering af strømindstillingen til strømforsyningen til maksimal strøm (nominelt 2 A) og derefter spændingen til den ønskede værdi for undersøgelserne, sikrer at strømforsyningen er slukket. Forbered et stopur, og tænd for strømforsyningen for den nødvendige belægningsvarighed.
  5. Til et typisk belægningsforsøg justeres spændingen til 10 V, med belægningstiderne i området fra 1 til 15 min. Sluk for DC-strømforsyningen, og lad så langsomt løfte elektroderne ud af dispersionen for at sikre, at filmen ikke forstyrres.
  6. Afbryd klemmerne fra elektroderne og langsomt inverter elektroderne til en vandret orientering tO Lad filmen på anoden tørre jævnt. Efter at fugtigheden er fordampet fra filmen ved stuetemperatur, skal du afmontere elektrodeindretningen og anoden anbringes i ovnen ved 100 ° C for at tørre i 1 time.
    1. Klem og hæng anoden i ovnen for at sikre, at filmen ikke kommer i direkte kontakt med overflader.
  7. Anbring den filmovertrukne anode i tørremidlet og lad det køle af og vej det på en firefigts analytisk balance. Optag vægten til fire decimaler. Subtrahere vægten af ​​den ikke-overtrukne anode til bestemmelse af massen af ​​den afsatte film.
  8. Fotografér den belagte anode. Brug en passende billedbehandlingspakke til nøjagtigt at måle området af den afsatte film. Brug massen og området til at registrere filmets arealtæthed i mg / cm 2 .
  9. Gentag belægningen og vejningstrinene for hver aflejringstid, der kræves for at bestemme aflejringshastigheden af ​​carbon nanomaterialet på rustfrit sTeel til de specifikke feltstyrker der anvendes.

3. Kemisk karakterisering - Røntgenfotoelektron-spektroskopi (XPS) 15

  1. For at fremstille prøverne til XPS analyse, drop-cast de vandige CNT dispersioner fra den oprindelige 1 g / L dispersion.
    1. Ved brug af en pipette skal du deponere en dispersionsdråbe på en rustfri ståldisk, og det tillades at tørre ved stuetemperatur. Gentag processen, indtil en ensartet tykt CNT-belægning på ca. 2 μm i tykkelse er observeret på disken. Monter rustfrit stål disk på prøve stubs ved hjælp af dobbeltsidet ledende tape.
  2. Indsæt prøverne i prøveindgangskammeret og pump ned til et vakuum på 5 x 10-7 Torr før overførsel til hovedanalysekammeret. Vent til hovedkammertrykket når 5 x 10-9 Torr, før du sætter prøven i gang og foretager analysen.
  3. TilFølg de typiske driftsbetingelser for XPS målingerne, brug en monokromatisk Al K α, 1 røntgenkilde, der arbejder ved 150 W for at belyse et område på 700 μm x 300 μm. Registrere fotoelektroner ved en 90 ° startvinkel med hensyn til prøveoverfladen.
    1. Kalibrere spektrometer energi skalaen ved hjælp af Au 4f 7/2 fotoelektron peak ved en bindingsenergi på 83,98 eV.
      BEMÆRK: Energiskalaen justeres i instrumentstyringssoftwaren under instrumentets første idrifttagning. Det kontrolleres jævnligt efter eventuelle vedligeholdelsesoperationer af spektroskoperen, der har ansvaret for udstyret, og bør ikke ændres af brugerne.
  4. Overvåg den oprindelige prøveafgift ved at placere et 30-eV-vindue over C 1s-regionen. Udfør opladningskompensation ved at justere elektronflowpistolparametrene systematisk for at placere C1s-spidsen ved 284,6 eV og for at minimere spidsbredden ved halv maksimal spidsintensitet Ity (FWHM).
  5. Gennemfør undersøgelser ved 160 eV pass energi og 0,5 eV trin med en dvaletid på 0,1 s i fast analysator transmission mode for at identificere overfladen elementelle arter. Skaffe regionspektre ved en 20 eV pass energi ved hjælp af 0,05-eV trin og en 0,2 s dwell. Brug mellem 4 og 8 sweeps for at forbedre signal-støjforholdet.
    1. For at kvantificere spektrene bruger du en Shirley-baggrundspasnings- og følsomhedsfaktor fra et egnet elementbibliotek 16 .
  6. Deconvolve C 1s røntgenfotoelektron-spektre med høj opløsning til bestemmelse af de forskellige carbon-oxygen-arter, der er til stede med USO-behandlingstid 15 .
    1. For nøjagtigt at deconvolutere C1s-spidsen udføres en indledende toppasning til formen af ​​grafitcarbon for at sikre, at topformen på grund af sp2-bindingen og bidragene fra lav-energi-π-type shake-up-satellitterne opretholdes> 17. For alle topmontering begrænser komponentbindingsenergierne og FWHM med henholdsvis ± 0,1 eV og ± 0,2 eV og benytter et Gaussisk / Lorentzian-forhold på 30.
    2. Monter grafitpidsformen ved hjælp af seks separate toppe. Opretholde ved faste forhold de områder af hver top i forhold til hovedgrafitop ved 284,6 eV for at opretholde en konsistent form på grund af den grafitiske komponent i det behandlede nanomateriale 15 , 9 , 14 .

4. Strukturel karakterisering - Ramanspektroskopi 18

  1. Forbered nanomaterialerne til Raman spektroskopisk karakterisering ved fortynding af den oprindelige dispersion med deioniseret vand for at opnå en 0,1 g / L koncentration. Pipetter 0,05 ml dispersion på et egnet poleret-guld substrat. Lad dråben inddampe ved stuetemperatur for at producere en tynd carbonfilm, hvorpå den skal focOs Raman laser spot.
    BEMÆRK: Størrelsen af ​​guldsubstratet er tilfældigt, når et stort substrat anvendes, flere eksemplarer kan deponeres på et enkelt objektglas.
  2. Gennemfør Raman målinger med en 50X forstørrelse objektiv linse ved hjælp af et spredt konfokalmikroskop og en 532 nm laser. Accepter spektrene mellem 3.500 og 50 cm -1 ved en opløsning på 2 cm -1 . Brug en 50 μm pinholeåbning med en laser energi mellem 1 og 10 mW ved at bruge den maksimale energi, således at der ikke sker nogen nedbrydning under prøveudtagningen.
    1. Saml spektrene ved at akkumulere mellem 10 og 50 scanninger og bruge en eksponeringstid mellem 2 og 5 s for hver enkelt scanning for at opnå et rimeligt signal-støjforhold.

5. Film Morfologi - Scanning Electron Microscopy (SEM)

  1. For SEM-analysen af ​​funktionaliseret versus ufunktionaliseret CNT / BNP, fortyndes en dråbeEt af hver dispersion til 0,1 g / l ved anvendelse af deioniseret vand. Sæt det på en aluminium SEM-stub og lad det tørre i luften natten over.
  2. For EPD-film, der er afsat på rustfrit stål-elektroderne, skærer elektroderne i 1 cm x 1 cm kvadrater og monteres på prøve stubs ved hjælp af dobbeltsidet ledende tape. Mal en lille linje sølv dag ( dvs. ledende klæbemiddel / maling) fra stikprøven på prøvenes øverste overflade for at forbedre den ledende vej. Tør prøven under en varmelampe i mindst 15 minutter.
  3. Placer den monterede prøve i sputtercoateren og giv den en ledende iridiumcoating ca. 1,3-1,5 nm tykt 19 .
    1. På tykkelsesmåleenheden sættes materialetætheden til det passende niveau, hvilket er 22,56 g / cm3 for iridium. Juster måltykkelsesindstillingen til 1,0 nm for at give en tykkelse på ca. 1,3-1,5 nm, når der regnes for termisk drift under belægningen sprocesmodeller.
    2. Indstil coaterenheden for at lade sputtercoater-driften styres af tykkelsesmåleenheden. Vælg den ønskede effekt, som skal være 80 mA for en højopløsningscoating 19 .
    3. Nul belægningens tykkelsesmåler på tykkelsesstyreenheden og tryk på "Cycle" -knappen for at påbegynde den automatiske kammer evakuering, argonblødning / skylning og belægningssekvens. Når strømmen har nået det ønskede niveau, skal du fjerne målskærmen for at lade belægningen starte. Drej og vippe scenen under belægningen for at lette en jævn belægning på alle sider.
  4. Undersøg nanomaterialerne ved hjælp af et feltemissions-SEM med en in-lens detektor. Brug en arbejdsafstand på ca. 3 mm og en accelerationsspænding på 3,0 kV.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figur 3 viser XPS widescanningskarakterisering af CNT'er, der havde undergået USO-behandling. CNT'er, der ikke havde undergået USO, viser næsten ingen iltindhold. Efterhånden som USO-tiden øges, øges overfladeoxygeniveauet. Figur 4 diagrammer ilt-til-kulstofforholdet stiger som en funktion af USO-tid. Tabel 1 viser atomkoncentrationerne af dekoncentreret kulstofart af BNP behandlet med USO. Topfittinget anvendte en kombination af begrænsede toppe repræsenteret ved Gr1 til Gr6 for at repræsentere den iboende topform på grund af grafit og de tilhørende energitabsfunktioner 17 . Den iltholdige art blev derpå tilsat, og en krydskorrelation med C1s topfittingdata og de elementære C og O-procentdele blev lavet for at sikre, at fornuftige topfittingresultater blev opnået. CO, C = O og COO arter er på ubetydelige niveauer uden USO behandling, men iKrøb markant med 12 h USO.

Ramanspektre af CNT'er behandlet af USO er vist i figur 5 . Intensiteten af ​​D-båndet ved 1,346 cm -1 betegner tilstedeværelsen af ​​defekter i CNT'erne 20 og indikerer, at defekter allerede eksisterede i CNT'erne forud for USO-behandlingen. Med stigende USO behandlingstid er der et forskydning i G-båndet, fra 1.576 cm -1 til 1.582 cm -1 , med en anden komponent mere udtalt ved 1.618 cm -1 . Dette svarer til en stigning i oxidationsniveauet for CNT'erne. Der er også et mærkbart fald i intensiteten af ​​2D båndet ved 2.698 cm -1 og en lille stigning i D + G båndet på 2.941 cm -1 med USO behandlingstid, hvilket indikerer et øget niveau af oxidation i CNT'erne 20 .

Intensitetsforholdet mellem D og G båndetS, I D / I G , blev målt til 1,18 uden USO, øget til 1,37 efter 155 min USO-behandling og fortsatte med at stige med en meget langsommere hastighed med større USO behandlingstider. Dette kan indikere, at oxidation forekommer primært ved eksisterende defekter, og når de eksisterende defektsteder er mættet, forekommer oxidationseffekten af ​​yderligere USO-behandlingstid ved en langsommere hastighed. Dette tyder på, at der er minimal skade på den modtagne CNT-struktur fra USO.

SEM-billederne i figur 6 viser USO-behandlede CNT'er sammenlignet med ubehandlede CNT'er. De ubehandlede CNT'er er stærkt klumpede, mens de USO-behandlede CNT'er er meget mere jævnt fordelt over overfladen, hvilket viser, at USO har bidraget til at reducere agglomerater, der er til stede i det modtagne materiale.

De USO-behandlede CNT'er blev derefter elektroforetisk aflejret under anvendelse af en række konditioner. Tykkere film blev fremstillet som elektroforese tiden øget; Tykkere film blev også produceret ved anvendelse af højere CNT-koncentrationer, som vist i figur 7 . Lignende resultater opnås, når BNP anvendes. Figur 8 viser hastigheden af ​​elektroforetisk aflejring ved forskellige CNT-koncentrationer ved anvendelse af aflejringshastigheder beregnet ud fra kurvepasning af dataene i figur 7 . Det ser ud til, at hastigheden af ​​EPD af USO-behandlede CNT'er kan forudsiges forholdsvis godt, hvis den indledende CNT-koncentration er kendt. Det lineære forhold i deponeringshastighed og dispersionskoncentration forudsiges fra Hamaker Law 21 , men den logaritmiske hastighed i deponering viser, at ændringer i aflejringsparametrene forekommer med tiden. Vores tidligere arbejde, hvor CNT'er blev deponeret på kulstof 12 og glas 13 stoffer, viste også klart, at deponeringshastigheden med tiden er ikke-lineær. UnDer konstant spændingsaflejring øges modstanden af ​​CNT-folien, hvilket fører til en reduktion i aflejringshastigheden.

Figur 3
Figur 3: Kemisk karakterisering - XPS. CNT'er, der var blevet udsat for USO til forskellige tidspunkter, blev analyseret ved anvendelse af XPS. Dette billede viser de brede scanningsændringer i ilt (532 eV) og kulstof (284,6 eV) intensitet, med iltintensiteten stigende ved højere USO gange. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figur 4
Figur 4: Atomforhold - XPS. Denne graf viser ændringen i O: C atomforholdet af CNT'er med stigende USO gange beregnet ud fraScanninger vist i figur 3 . Ozonolysemekanismen er meget kompleks, og den polynomiske pasform er som vejledning til læseren til at vise tendensen i oxidationshastigheden, men ikke at forklare noget om ozonolysemekanismen. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figur 5
Figur 5: Strukturel karakterisering - Raman. Alle spektre udviste stærke D-bånd (~ 1,346 cm- 1 ), G-bånd (~ 1,576 cm- 1 ), 2D-bånd (~ 2,698 cm- 1 ) og D + G-bånd (~ 2,941 cm- 1 ). D-bandforøgelsen indikerer en vis stigning i grafitfejlene. Klik her for at se en større version af denne figur. >

Figur 6
Figur 6: Filmmorfologi - SEM. Disse billeder viser CNT'er, der var ( a ) ikke kemisk behandlet og ( b ) USO-behandlet i 16 timer. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figur 7
Figur 7: Elektroforese målinger. Denne graf viser densiteten af ​​EPD-filmene versus aflejringstiden ved anvendelse af tre forskellige koncentrationer af CNT'er dispergeret i vand. Blå diamanter = 2 g / L, røde firkanter = 1,5 g / L og grønne trekanter = 1 g / L. Et 14 V / cm DC elektrisk felt blev anvendt til disse prøver.Jpg "target =" _ blank "> Venligst klik her for at se en større version af denne figur.

Figur 8
Figur 8: Elektroforetisk deponeringshastighed. Plot af EPD-hastigheden i forhold til CNT-koncentrationerne ved anvendelse af aflejringshastigheder beregnet ud fra kurveformen i figur 7 plot af filmdensitet versus deponeringstid. Klik her for at se en større version af denne figur.

Navn Position Constraint FWHM Constraint Arealbegrænsning % AtomiskKoncentration
0 timer 12 timer
Gr 1 284,6 ± 0,1 0,7 ± 0,2 Bedste pasform 29,4 17.6
Gr 2 284,8 1.2 Gr1 * 1.3 36,9 22.2
Gr 3 286,1 1.3 Gr1 * 0,4 12.5 7.5
Gr 4 287,9 1.3 Gr1 * 0.2 5.9 3.5
Gr 5 289,5 1.6 GR1 * 0.1 3.3 1.8
Gr 6 291,3 2.4 Gr1 * 0.2 6.6 1.7
CC 285 1.2 Bedste pasform 2.1
CO 287 1.2 Bedste pasform 1.5 14.3
C = O 288,6 1.2 Bedste pasform 0,9 12.4
COO 289,4 1.2 Bedste pasform 0,9 5.3

Tabel 1: Kemisk karakterisering - XPS. Denne tabel viser de højeste parametre, der bruges til at dekonvoluere C 1s spektret for de BNP'er, der behandles ved brug af USO-metoden i 0 h og 12 h behandlingstider. Det viser også de resulterende atomkoncentrationer af hver art 14 . Gr 1, Gr 2, etc. repræsenterer de forskellige grafit toppe, der anvendes i passformen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har intet at afsløre.

Acknowledgments

Arbejdsløshedskomponenten blev finansieret af Australiens Commonwealth. Forfatteren fra Delaware Universitet anerkender taknemmeligt støtten fra US National Science Foundation (Grant # 1254540, Dr. Mary Toney, Program Director). Forfatterne takker Mr. Mark Fitzgerald for hans hjælp med de elektroforetiske aflejringsmålinger.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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/

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Pandey, G., Thostenson, E. T. Carbon Nanotube-Based Multifunctional Polymer Nanocomposites. Polym. Rev. 52 (3), 355-416 (2012).
  2. Das, T. K., Prusty, S. Graphene-Based Polymer Composites and Their Applications. Polym.-Plast. Technol. 52 (4), 319-331 (2013).
  3. Karger-Kocsis, J., Mahmood, H., Pegoretti, A. Recent advances in fiber/matrix interphase engineering for polymer composites. Prog. Mater. Sci. 73, 1-43 (2015).
  4. 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).
  5. Hummers, W. S., Offeman, R. E. Preparation of graphitic oxide. J. Am. Chem. Soc. 80, 1339-1339 (1958).
  6. Shaffer, M. S. P., Fan, X., Windle, A. H. Dispersion and Packing of Carbon Nanotubes. Carbon. 36 (11), 1603-1612 (1998).
  7. Hamon, M. A., et al. Dissolution of Single-Walled Carbon Nanotubes. Adv. Mater. 11, 834-840 (1999).
  8. Low, C. T. J., et al. Electrochemical approaches to the production of graphene flakes and their potential applications. Carbon. 54, 1-21 (2013).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. Fairley, N. CasaXPS Manual 2.3.15 Introduction to XPS and AES, Rev. 1.2. , Casa Software Ltd. www.casaxps.com (2009).
  16. Kratos elemental library for use with Casa XPS software. , Available from: http://www.casaxps.com/kratos (2016).
  17. 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).
  18. DXR Raman Instruments: Getting Started. , Thermo Fisher Scientific. 269-215100 Rev. A (2008).
  19. Cressington 208HR High Resolution Sputter Coater for FE-SEM: Operating Manual. , Cressington Scientific Instruments Ltd. Watford, UK. Rev. 5 (2003).
  20. 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).
  21. Hamaker, H. C. Formation of a Deposit by Electrophoresis. T. Faraday Soc. 35, 279-287 (1940).
  22. 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).

Tags

Environmental Sciences Functionalization dispersion carbon nanorør grafen nanoplatelets elektroforetisk aflejring røntgenfotoelektron spektroskopi Raman spektroskopi
Funktionalisering og dispersion af carbon nanomaterialer ved anvendelse af en miljøvenlig ultralydet ozonolyseproces
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Yeo, E. S. Y., Mathys, G. I., Brack, … More

Yeo, E. S. Y., Mathys, G. I., Brack, N., Thostenson, E. T., Rider, A. N. Functionalization and Dispersion of Carbon Nanomaterials Using an Environmentally Friendly Ultrasonicated Ozonolysis Process. J. Vis. Exp. (123), e55614, doi:10.3791/55614 (2017).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter