Funksjonalisering og dispersjon av karbonnanomaterialer ved bruk av en miljøvennlig ultrasonisert ozonolyseprosess
Summary
Her beskrives en ny metode for funksjonalisering og stabil dispersjon av karbonnanomaterialer i vandige miljøer. Ozon injiseres direkte inn i en vandig dispersjon av karbonnanomaterial som kontinuerlig resirkuleres gjennom en kraftig ultralydcelle.
Abstract
Funksjonalisering av karbon nanomaterialer er ofte et kritisk trinn som letter integrasjonen i større materielle systemer og enheter. I den mottatte form kan karbonnanomaterialer, slik som karbonnanorør (CNT) eller grafen nanoplateletter (BNP), inneholde store agglomerater. Begge agglomerater og urenheter vil redusere fordelene med de unike elektriske og mekaniske egenskapene som tilbys når CNT eller BNP er innlemmet i polymerer eller komposittmaterialesystemer. Mens en rekke metoder eksisterer for å funksjonalisere karbon nanomaterialer og for å skape stabile dispersjoner, bruker mange prosesser sterke kjemikalier, organiske løsningsmidler eller overflateaktive stoffer, som er miljøvennlige og kan øke prosessbyrden når de isolerer nanomaterialene til senere bruk. Den nåværende forskningen beskriver bruken av en alternativ, miljøvennlig teknikk for funksjonalisering av CNT og BNP. Det gir stabile, vandige dispersjoner fri for skadeUl kjemikalier. Både CNT og BNP kan tilsettes til vann i konsentrasjoner på opptil 5 g / L og kan resirkuleres gjennom en kraftig ultralydcelle. Samtidig injeksjon av ozon inn i cellen oksyderer karbon nanomaterialene progressivt, og den kombinerte ultralyden bryter ned agglomerater og avslører umiddelbart nytt materiale for funksjonalisering. De fremstilte dispersjoner er ideelt egnet for avsetning av tynne filmer på faste underlag ved anvendelse av elektroforetisk avsetting (EPD). CNT og BNP fra de vandige dispersjonene kan lett benyttes til å belegge karbon- og glassforsterkende fibre ved anvendelse av EPD for fremstilling av hierarkiske komposittmaterialer.
Introduction
Bruken av karbon nanomaterialer for å modifisere polymere og kompositte systemer har hatt intensiv forskningsinteresse de siste 20 årene. Nylige omtaler om bruk av karbonnanorør 1 (CNT) og grafen nanoplatelets 2 (BNP) gir en indikasjon på forskningsbredden. Den høye spesifikke stivheten og styrken til CNT og BNP, samt deres høye elektriske ledningsevne, gjør materialene ideelt egnet for innlemming i polymersystemer for å forbedre både den mekaniske og elektriske ytelsen til de nanokomposittmaterialene. CNT og BNP har også blitt brukt til utvikling av hierarkiske komposittstrukturer ved bruk av karbonnanomaterialene for å modifisere både fibergrensadhesjon og matrisestivhet 3 , 4 .
Den homogene dispersjon av karbonnanomaterialer i polymersystemer krever ofteProsesseringstrinn som kjemisk forandrer nanomaterialene for å forbedre kjemisk kompatibilitet med polymermatrisen, fjerne urenheter og redusere eller fjerne agglomerater fra de mottatte materialer. En rekke metoder for kjemisk modifisering av karbonnanomaterialer er tilgjengelige og kan omfatte våt kjemisk oksydasjon ved bruk av sterke syrer 5 , 6 , modifisering med overflateaktive midler 7 , elektrokjemisk interkalering og eksfoliering 8 eller tørkemessig behandling ved hjelp av plasmabaserte prosesser 9 .
Bruken av sterke syrer i oksydasjonstrinnet av CNTs introduserer oksygenfunksjonelle grupper og fjerner urenheter. Imidlertid har den ulempen med betydelig reduksjon av CNT lengden, innføring av skader på CNT yttervegger og bruk av farlige kjemikalier, som må isoleres fra det behandlede materialet for videre behandling 10 </ Sup>. Bruken av overflateaktive stoffer kombinert med ultralydbehandling gir en mindre aggressiv metode for å fremstille stabile dispersjoner, men det overflateaktive middel er ofte vanskelig å fjerne fra det behandlede materialet og kan ikke være kompatibelt med polymeren som brukes til å fremstille nanokomposittmaterialene 1 , 11 . Styrken av den kjemiske samspillet mellom det overflateaktive molekylet og CNT eller BNP kan også være utilstrekkelig for mekaniske anvendelser. Tørre plasmabehandlingsprosesser utført under atmosfæriske forhold kan være egnet for funksjonalisering av arrays av CNT, presentert på fiber eller plane overflater, som brukes til å forberede hierarkiske kompositter 9 . Det atmosfæriske plasmaet er imidlertid vanskeligere å påføre på tørre pulver og tar ikke opp problemene med agglomerater som er tilstede i as-produserte råkarbonnanomaterialer.
I dagens arbeid presenterer vi en detaljert beskrivelse av ultralydetIcated-ozonolysis (USO) metode som vi tidligere har brukt på karbon nanomaterialer 12 , 13 , 14 . USO-prosessen brukes til å fremstille stabile, vandige dispersjoner som er egnet for elektroforetisk avsetting (EPD) både CNT og BNP på karbon- og glassfiber. Eksempler på EPD ved bruk av USO-funksjonaliserte CNT-er for å avsette tynne, ensartede filmer på rustfritt stål og karbon-stoffsubstrater vil bli gitt. Metoder og typiske resultater som brukes til å kjemisk karakterisere de funksjonaliserte CNTene og BNPene, vil også bli gitt ved hjelp av både røntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) og Raman-spektroskopi. En kort diskusjon av karakteriseringsresultater i sammenligning med andre funksjonaliseringsteknikker vil bli gitt.
Arbeid Helse- og sikkerhetsmelding
Effektene av eksponering for nanopartikler som CNT, på menneskers helse, er ikke godt forstått. DenDet anbefales at det tas spesielle tiltak for å minimere eksponering for og unngå miljøforurensning med CNT-pulver. Foreslåtte fareisolasjonsmålinger inkluderer arbeid i et HEPA-filterutstyrt kokeskap og / eller hanskefelt. Yrkesmessige hygienetiltak omfatter å bruke beskyttelsesklær og to lag med hansker og utføre regelmessig rengjøring av overflater ved hjelp av fuktige papirhåndklær eller støvsuger med HEPA-filter for å fjerne svale CNT-pulver. Forurensede gjenstander skal pakkes inn for avhending av farlig avfall.
Eksponering for ozon kan irritere øynene, lungene og luftveiene, og ved høyere konsentrasjoner kan det forårsake lungeskader. Det anbefales at det treffes tiltak for å minimere personlig og miljømessig eksponering for generert ozongass. Isolasjonsmålinger inkluderer å jobbe i et skap. Ettersom returluftsstrømmen vil inneholde ubrukt ozon, skal det føres gjennom en ozon destruktorenhet før den slippes ut i atmosfærensfære. Dispersjoner som har fått ozon boblet gjennom dem, vil inneholde noe oppløst ozon. Etter ozonolyse-operasjoner, la dispersjonene sitte i 1 time før ytterligere behandling, slik at ozonet kan gjennomgå naturlig nedbrytning.
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
Den ikke-lønnsomme delen av arbeidet ble finansiert av Commonwealth of Australia. Forfatteren fra Delaware University anerkjenner takknemlig støtte fra US National Science Foundation (Grant # 1254540, Dr. Mary Toney, Program Director). Forfatterne takker Mr. Mark Fitzgerald for hans hjelp med elektroforetiske avsetningsmålinger.
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).
