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.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Функционализация УНТ и ВНП с помощью ультразвукового озонолиза
- Взвесьте наноматериалы в вещевом ящике внутри вытяжного шкафа, оборудованного фильтром HEPA. Взвесьте желаемое количество наноматериалов в стакан. Перенесите в бутылку и добавьте сверхчистую воду, чтобы получить концентрацию 1 г / л.
- Запечатайте бутылку с крышкой. Ультразвук в стандартной ультразвуковой ванне (см. Список материалов, частота: ~ 43 ± 2 кГц, мощность: 60 Вт) для разгона УНТ или ВНП.
ПРИМЕЧАНИЕ. ВНИМАНИЕ. См. Уведомление о работоспособности и безопасности выше. - Тщательно вылейте суспензию наноматериала в реакционную колбу, содержащую магнитную мешалку. Прикрепите крышку колбы реактора с достаточными отверстиями для озона и входов и выходов ультразвукового рупора. Поместите это на перемешивающую пластину и включите магнитную мешалку, отрегулировав циферблат, чтобы предотвратить удержание УНТ от подвески.
- Соберите ультразвуковой звуковой сигнал в ультразвуковую ячейку и проверьте, чтобы рогНаконечник в хорошем состоянии. См . Рис. 1 .
Рисунок 1: Ультразвуковая система озонолиза. На этой принципиальной схеме показано, как подключать различные элементы ультразвуковой системы озонолиза. Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
- Используйте силиконовые трубки для подключения реактора, ультразвуковой камеры и перистальтического насоса. См . Рисунок 1 .
- Вставьте озоновый барботер в реактор и подключите его к генератору озона.
ПРИМЕЧАНИЕ. ВНИМАНИЕ. См. Уведомление о работоспособности и безопасности выше. - Подсоедините охладительный блок рециркуляционной жидкости к охлаждающей катушке (для охлаждения реактора) и к оболочке с охлаждением ультразвука. Переверните переключатель, чтобы включить охлаждающую жидкостьГ для охлаждения озонового реактора и ультразвуковой камеры. Убедитесь, что охлаждающая жидкость протекает как через ультразвуковой элемент, так и в охлаждающую ванну реактора.
- Используйте термопару, подключенную к блоку управления ультразвуковым рупором, для измерения температуры в реакторе. Подождите, пока система не остынет до 5 ° C.
- Поместите реакторную колбу с помощью УНТ. Вставьте озоновый диффузор в дно реакционной колбы, чтобы он полностью погрузился в воду. Убедитесь, что выходная трубка в ультразвуковой элемент погружена на глубину не менее 25 мм ниже поверхности дисперсии.
- Подключите выпускную трубку от реактора к блоку разрушения озона, используя ту же самую силиконовую трубу, что и в операции перистальтической перекачки. Использование водяного барботера на выходной стороне устройства для разрушения озона является необязательным, но оно помогает улавливать остаточный озон и указывает на то, что генератор озона подключен и работает правильно.
- Включите подачу кислорода в генератор озона и отрегулируйте клапан для достижения скорости потока 0,5 л / мин через генератор озона.
- Включите генератор озона, щелкнув переключатель. Позвольте ему работать в течение 30-60 минут до начала процесса откачки или ультразвука.
- Включите перистальтический насос, отрегулируйте его до 0,67 Гц, повернув колпак насоса до значения приблизительно 5 или 6 и убедитесь, что дисперсия УНТ равномерно проходит через ячейку.
- Включите ультразвуковой звуковой сигнал и отрегулируйте мощность до 60 Вт, введя это значение в модуль управления в меню ручного управления.
- При первоначальном запуске медленно увеличивайте настройку амплитуды, чтобы достичь желаемой выходной мощности 60 Вт.
ПРИМЕЧАНИЕ. Ультразвуковой звуковой сигнал работает на частоте 20 кГц. Настройки амплитуды и мощности обычно имеют одинаковые значения, но при первоначальном запуске настройка амплитуды может быть медленно увеличена для достижения желаемогоD мощностью 60 Вт.
- Соблюдайте процесс обработки ультразвуком в течение как минимум 30 минут, чтобы обеспечить стабильную работу насоса и ультразвукового рупора.
- Следите за гибкой трубкой в непосредственном контакте с механизмом перистальтического насоса для износа. Отрегулируйте положение трубки не реже одного раза в 2 часа, чтобы убедиться, что труба поддерживает целостность. Замените трубку для каждого отдельного процесса обработки углеродного наноматериала.
- Когда желаемое время обработки USO истекло, нажмите выключатели, чтобы выключить генератор озона, ультразвук и насос. Поддерживайте перемешивание до тех пор, пока дисперсия углеродного наноматериала не будет готова к переносу в герметичный контейнер для последующего использования при электрофоретическом осаждении.
- Подождите около 1 часа перед переносом дисперсии, чтобы раствор озона в растворе разложился.
- Если электрофорез не выполняется в течение 24 часов обработки USO, снова ультразвуком удалите дисперсию наноматериалов, чтобы свести к минимуму количество частицС рассеиванием. Вставьте звуковой сигнал в бутылку дисперсии углеродных наноматериалов и раздайте ультразвук (как указано выше) в течение 30 минут перед использованием.
2. Электрофорез
- Подготовьте три электрода из нержавеющей стали, 60 мм (L) x 25 мм (Вт), из листового материала 0,2 мм.
- Разбавьте электроды, используя наждачную бумагу P1000 из оксида алюминия, с ультрачистой водой в качестве смазки. После истирания поместите электроды в ванну для ультразвуковой очистки и протрите их в течение 10 минут в ультрачистой воде.
- Поместите электрод для анодного осаждения в чистую духовку при 100 ° C и высушите его в течение 10 минут. Переместите электрод в эксикатор и дайте ему остыть. Взвесьте электрод на четырехзначном аналитическом балансе.
- Запишите вес электрода в четыре десятичных знака в виде веса без покрытия в граммах. Высушите оставшиеся два электрода и храните их в эксикаторе для использования в качестве катодов длядолжность.
- Используя подходящую зажимную конструкцию (см . Рис. 2 ), такую как небольшие тиски и непроводящие пластмассовые прокладки толщиной 10 мм, соберите электроды, а внешние электроды используются в качестве катодов и внутреннего электрода в качестве анода.
Рисунок 2: Электрофоретическая ячейка для осаждения. На этой принципиальной схеме показана конфигурация ячейки электрофоретического осаждения. Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
- Перенесите 35 мл дисперсии углеродных наноматериалов в 50-миллилитровый стакан.
- Поместите приспособление из нержавеющей стали на ретортную подставку и медленно опустите электроды на полную глубину стакана. Прикрепите положительную клемму источника постоянного тока к центральному анонсу из нержавеющей сталиде. Прикрепите отрицательный вывод источника постоянного тока к внешнему катоду. Соедините два внешних катода с помощью провода с зажимами из аллигатора.
- Если требуются точные измерения тока, подключите мультиметр последовательно к блоку питания и электродам, чтобы обеспечить мониторинг во время осаждения.
- Вручную отрегулируйте текущую настройку на источнике питания постоянного тока до максимального тока (номинально, 2 А), а затем напряжение до требуемого значения для исследований, гарантируя, что выход источника питания отключен. Подготовьте секундомер и включите источник питания для требуемой продолжительности покрытия.
- Для типичного эксперимента по покрытию отрегулируйте напряжение до 10 В с временем покрытия от 1 до 15 мин. Выключите источник питания постоянного тока, а затем медленно выведите электроды из дисперсии, следя за тем, чтобы пленка не была нарушена.
- Отсоедините клеммы от электродов и медленно поверните электроды в горизонтальную ориентацию tO разрешить пленку на аноде сушить равномерно. После того, как влажность испарилась из пленки при комнатной температуре, разобрать электродовую арматуру и поместить анод в духовку при 100 ° C для высыхания в течение 1 часа.
- Закрепите и повесьте анод в духовку, чтобы убедиться, что пленка не контактирует с любыми поверхностями.
- Поместите анодированный пленкой анод в эксикатор и дайте ему остыть, затем взвешивайте его на четырехзначном аналитическом балансе. Запишите вес до четырех знаков после запятой. Вычесть вес анода без покрытия, чтобы определить массу осажденной пленки.
- Фотографируйте покрытый анод. Используйте подходящий пакет обработки изображений, чтобы точно измерить площадь осажденной пленки. Используйте массу и площадь для записи плотной плотности пленки в мг / см 2 .
- Повторите шаги покрытия и взвешивания для каждого времени осаждения, необходимого для определения скорости осаждения углеродного наноматериала на нержавеющую стальTeel для использования конкретных напряжений поля.
3. Химическая характеристика - рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS) 15
- Для подготовки образцов для анализа XPS отбрасывали водные дисперсии УНТ из первоначальной дисперсии 1 г / л.
- Используя пипетку, нанесите каплю дисперсии на диск из нержавеющей стали и дайте высохнуть при комнатной температуре. Повторяйте процесс до тех пор, пока на диске не будет нанесено однородное толстое покрытие CNT толщиной около 2 мкм. Установите диск из нержавеющей стали на пробоотборники с использованием двухсторонней проводящей ленты.
- Вставьте образцы в пробоотборную камеру и откачайте до вакуума 5 × 10 -7 Торр до передачи его в основную камеру анализа. Подождите, пока давление в основной камере не достигнет 5 × 10 -9 Торр, прежде чем позиционировать образец и провести анализ.
- кСледуйте типичным условиям работы для измерений XPS, используйте монохроматический источник рентгеновского излучения Al K α, 1, работающий при 150 Вт, для освещения области 700 мкм × 300 мкм. Обнаружение фотоэлектронов под углом 90 ° относительно поверхности образца.
- Откалибруйте шкалу энергии спектрометра с использованием фотоэлектронного пика Au 4f 7/2 при энергии связи 83,98 эВ.
ПРИМЕЧАНИЕ. Шкала энергии настраивается в программном обеспечении управления прибором во время первоначального ввода в эксплуатацию прибора. Он регулярно проверяется после любых операций по техническому обслуживанию спектроскопистом, отвечающим за оборудование, и не должен изменяться пользователями.
- Откалибруйте шкалу энергии спектрометра с использованием фотоэлектронного пика Au 4f 7/2 при энергии связи 83,98 эВ.
- Контролируйте начальную загрузку образца, расположив окно 30 эВ над областью C 1s. Выполните компенсацию заряда, систематически регулируя параметры электронного пистолета-пушки, чтобы установить пик C 1s на 284,6 эВ и свести к минимуму ширину пика в половине максимальной интенсивности пика (FWHM).
- Провести съемку сканирования с энергией 160 эВ и 0,5 эВ с временем выдержки 0,1 с в режиме фиксированного анализатора для идентификации поверхностных элементов. Приобретите регио- нальные спектры с энергией прохода 20 эВ, используя шаги 0,05 эВ и 0,2 с. Для улучшения отношения сигнал / шум используйте от 4 до 8 разверток.
- Чтобы количественно оценить спектры, используйте фон и коэффициент чувствительности Ширли из подходящей элементарной библиотеки 16 .
- Deconvolve C 1s с высоким разрешением рентгеновских фотоэлектронных спектров для определения различных видов углерода-кислорода, присутствующих с временем обработки USO 15 .
- Чтобы точно деконструировать пик C 1s, выполните начальный пик, подходящий к форме графитового углерода, чтобы обеспечить сохранение пиковой формы из-за слияния sp 2 и вкладов от сателлитных спутников с энергией π-типа с низкой энергией> 17. Для всех пиковых фитингов ограничьте энергии связи компонентов и FWHM на ± 0,1 эВ и ± 0,2 эВ соответственно и используйте отношение Гаусса / Лоренца 30.
- Установите форму пика графита, используя шесть отдельных пиков. Поддерживайте фиксированные отношения площадей каждого пика относительно основного графитового пика при 284,6 эВ, чтобы поддерживать согласованную форму из-за графитового компонента в обработанном наноматериале 15 , 9 , 14 .
4. Структурная характеристика - Рамановская спектроскопия 18
- Подготовьте наноматериалы для спектроскопической характеристики комбинационного рассеяния, разбавив исходную дисперсию деионизированной водой для достижения концентрации 0,1 г / л. Пипеткой 0,05 мл дисперсии на подходящую подложку из полированного золота. Дайте капелле испариться при комнатной температуре, чтобы получить тонкую углеродную пленку, на которойМы рамановское лазерное пятно.
ПРИМЕЧАНИЕ. Размер золотой подложки связан с результатом, когда используется большая подложка, на одном слайде можно наносить несколько образцов. - Проведите измерения комбинационного рассеяния с объективом объектива 50X с использованием дисперсионного конфокального микроскопа и лазера на 532 нм. Получают спектры от 3500 до 50 см -1 при разрешении 2 см -1 . Используйте апертуру отверстий 50 мкм с энергией лазера от 1 до 10 мВт, используя максимально возможную энергию, чтобы во время сбора не происходило деградации образца.
- Соберите спектры, скопив от 10 до 50 сканирований и используя время экспозиции между 2 и 5 с для каждого отдельного сканирования для достижения разумного отношения сигнал / шум.
5. Морфология пленки - сканирующая электронная микроскопия (SEM)
- Для SEM-анализа функционализированных и нефункционализированных УНТ / ВНП, разбавить дропИ каждой дисперсии до 0,1 г / л с использованием деионизированной воды. Поместите его на алюминиевый шов SEM и дайте высохнуть на воздухе в течение ночи.
- Для пленок EPD, нанесенных на электроды из нержавеющей стали, разрежьте электроды на квадраты 1 см х 1 см и смонтируйте их на образцах, используя двухстороннюю проводящую ленту. Нарисуйте небольшую линию серебряного дага ( т. Е. Проводящий клей / краску) от заглушки образца на верхней поверхности образца для улучшения проводящего пути. Высушите образец под лампой нагревателя в течение не менее 15 мин.
- Поместите смонтированный образец в распылитель и дайте ему проводящее иридиевое покрытие толщиной примерно 1,3-1,5 нм 19 .
- В блоке измерения толщины установите плотность материала на соответствующий уровень, который составляет 22,56 г / см 3 для иридия. Отрегулируйте заданную толщину толщины до 1,0 нм, чтобы получить толщину приблизительно 1,3-1,5 нм при учете теплового дрейфа во время покрытия process.
- Установите устройство для нанесения покрытия, чтобы можно было управлять работой устройства для нанесения покрытия распылением с помощью блока измерения толщины. Выберите желаемую мощность, которая должна быть 80 мА для покрытия с высоким разрешением 19 .
- Обнулите толщину манометра покрытия на блоке управления толщиной и нажмите кнопку «Цикл», чтобы начать автоматическую эвакуацию камеры, последовательность продувки аргоном / промывки и покрытия. Когда мощность достигнет желаемого уровня, отодвиньте экран цели, чтобы начать накрытие. Поворот и наклон ступени во время покрытия для обеспечения равномерного покрытия со всех сторон.
- Изучите наноматериалы с использованием полевого эмиссионного SEM с детектором в объективе. Используйте рабочее расстояние приблизительно 3 мм и ускоряющее напряжение 3,0 кВ.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
На рисунке 3 показана широкомасштабная характеристика XPS для CNT, прошедшая обработку USO. УНТ, которые не подвергались УСО, практически не содержат кислорода. По мере увеличения времени USO уровень поверхностного кислорода увеличивается. Рисунок 4 показывает, что отношение кислорода к углероду возрастает как функция времени USO. В таблице 1 показаны атомные концентрации GNC, деконвулированные атомы углерода, обработанные USO. Пиковый фитинг использовал комбинацию ограниченных пиков, представленных от Gr1 до Gr6, чтобы представить присущую пиковую форму из-за графита и связанных с ним характеристик потери энергии. Затем были добавлены кислородсодержащие виды, а также была проведена кросс-корреляция с данными подгонки пиков C 1s и элементарными значениями C и O, чтобы обеспечить достижение разумных результатов подгонки пиков. Состояния CO, C = O и COO на незначительных уровнях без обработки USO, но вЗаметно сглаживается с 12 часами USO.
Рамановские спектры УНТ, обработанные USO, показаны на рисунке 5 . Интенсивность полосы D при 1346 см -1 означает наличие дефектов в УНТ 20 и указывает, что дефекты уже существовали в УНТ до обработки УНО. С увеличением времени обработки USO происходит сдвиг в полосе G от 1576 см -1 до 1582 см -1 , при этом второй компонент становится более выраженным при 1618 см -1 . Это соответствует увеличению уровня окисления УНТ. Наблюдается также заметное уменьшение интенсивности двумерной полосы при 2698 см -1 и небольшое увеличение полосы D + G при 2,941 см -1 с временем обработки УСО, что указывает на повышенный уровень окисления в УНТ 20 .
Отношение интенсивностей D-G-полосыС, I D / I G , измеряли при 1,18 без УЗИ, увеличившись до 1,37 после 155 мин обработки УРО и продолжали увеличиваться с гораздо большей скоростью с большим временем обработки УЗИ. Это может указывать на то, что окисление происходит главным образом при существующих дефектах, и после того, как существующие участки дефектов насыщены, окислительный эффект дальнейшего времени обработки USO происходит медленнее. Это говорит о том, что минимальный урон, наносимый CNT-структуре, полученной от USO.
На снимках СЭМ на рисунке 6 показаны УНТ-обработанные УНТ по сравнению с необработанными УНТ. Необработанные УНТ сильно сгущаются, в то время как УНТ-обработанные УНТ гораздо более равномерно распределены по поверхности, что показывает, что УСО помогло уменьшить агломераты, присутствующие в полученном материале.
УЗИ-обработанные УНТ затем электрофоретически осаждались с использованием множества условийионов. При увеличении времени электрофореза производились более толстые пленки; Более толстые пленки также получали с использованием более высоких концентраций УНТ, как показано на рисунке 7 . Аналогичные результаты достигаются при использовании ВНП. На рисунке 8 показана скорость электрофоретического осаждения при различных концентрациях УНТ с использованием скоростей осаждения, рассчитанных на основе кривой, соответствующей данным на рисунке 7 . По-видимому, скорость EPD УНТ-обработанных УНТ может быть предсказана достаточно хорошо, если известна начальная концентрация УНТ. Линейная зависимость скорости осаждения и концентрации дисперсии предсказана из закона Хамакера 21 , но логарифмическая скорость осаждения показывает, что изменения параметров осаждения происходят со временем. Наши предыдущие работы, в которых УНТ были осаждены на ткани с углеродом 12 и стеклом 13 , также ясно показали, что скорость осаждения со временем нелинейна. ООНПри постоянном наложении напряжения сопротивление пленки УНТ увеличивается, что приводит к уменьшению скорости осаждения.
Рисунок 3: Химическая характеристика - XPS. УНТ, которые были подвергнуты USO в течение различных времен, анализировали с использованием XPS. На этом изображении показаны широкие сканирующие изменения интенсивности кислорода (532 эВ) и углерода (284,6 эВ), при этом интенсивность кислорода увеличивается в более высокие времена УЗ. Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 4: Атомное соотношение - XPS. На этом графике показано изменение атомного отношения O: C УНТ с увеличением USO раз, рассчитанное изСканирование, показанное на рисунке 3 . Механизм озонолиза очень сложный, и полиномиальная посадка предоставляется в качестве руководства для читателя, чтобы показать тенденцию скорости окисления, но не объяснять ничего о механизме озонолиза. Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 5: Структурная характеристика - комбинация. Все спектры показали сильные D-полосы (~ 1,346 см -1 ), G-полосы (~ 1576 см -1 ), 2D-полосы (~ 2698 см- 1 ) и полосы D + G (~ 2,941 см -1 ). Увеличение D-диапазона указывает на некоторое увеличение графитовых дефектов. Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка. >
Рисунок 6: Морфология пленки - SEM. На этих изображениях показаны УНТ, которые были ( а ) химически не обработаны и ( б ) обработаны УРО в течение 16 часов. Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 7: Измерения электрофореза. Этот график показывает плотность пленок EPD в зависимости от времени осаждения с использованием трех различных концентраций УНТ, диспергированных в воде. Голубые бриллианты = 2 г / л, красные квадраты = 1,5 г / л и зеленые треугольники = 1 г / л. Для этих образцов использовалось электрическое поле постоянного тока напряжением 14 В / см.Jpg "target =" _ blank "> Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 8: Скорость электрофоретического осаждения. График скорости EPD по сравнению с концентрациями CNT с использованием скоростей осаждения, рассчитанных по кривой зависимости графита зависимости плотности пленки от времени осаждения. Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
| имя | Должность | скованность | FWHM | скованность | Ограничение по площади | % Атомныйконцентрация | |
| 0 h | 12 ч. | ||||||
| Gr 1 | 284,6 | ± 0,1 | 0.7 | ± 0,2 | Наиболее подходящий | 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 | Наиболее подходящий | 2,1 | |||
| Колорадо | 287 | 1.2 | Наиболее подходящий | 1,5 | 14,3 | ||
| C = O, | 288,6 | 1.2 | Наиболее подходящий | 0.9 | 12,4 | ||
| COO | 289,4 | 1.2 | Наиболее подходящий | 0.9 | 5,3 | ||
Таблица 1: Химическая характеристика - XPS. В этой таблице показаны параметры пикового фитинга, используемые для деконволюции спектра C 1s для ВНП, обработанных с использованием метода USO в течение 0 ч и 12 часов обработки. Он также показывает полученные атомные концентрации каждого вида 14 . Gr 1, Gr 2 и т. Д. Представляют собой различные графитовые пики, используемые при подгонке.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторам нечего раскрывать.
Acknowledgments
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
| 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/ |
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. , Casa Software Ltd. www.casaxps.com (2009).
- Kratos elemental library for use with Casa XPS software. , Available from: http://www.casaxps.com/kratos (2016).
- 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. , Thermo Fisher Scientific. 269-215100 Rev. A (2008).
- Cressington 208HR High Resolution Sputter Coater for FE-SEM: Operating Manual. , Cressington Scientific Instruments Ltd. Watford, UK. Rev. 5 (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).
