Summary
Här beskrivs en ny metod för funktionalisering och stabil dispersion av kolnanomaterial i vattenhaltiga miljöer. Ozon injiceras direkt i en vattenhaltig dispersion av kolnomaterial som recirkuleras kontinuerligt genom en kraftfull ultraljudscell.
Abstract
Funktionalisering av kolnanomaterial är ofta ett kritiskt steg som underlättar deras integration i större materialsystem och -enheter. I den sålunda mottagna formen kan kolnanomaterial, såsom kolnanorör (CNT) eller grafennanoplatelett (BNP) innehålla stora agglomerat. Båda agglomeraten och föroreningarna minskar fördelarna med de unika elektriska och mekaniska egenskaper som erbjuds när CNT eller BNP inkorporeras i polymerer eller kompositmaterialsystem. Även om en mängd olika metoder finns för att funktionalisera kol nanomaterial och skapa stabila dispersioner, använder många processer hårda kemikalier, organiska lösningsmedel eller ytaktiva ämnen, som är miljövänliga och kan öka bearbetningsbelastningen vid isolering av nanomaterialen för efterföljande användning. Den nuvarande forskningen beskriver användningen av en alternativ, miljövänlig teknik för funktionalisering av CNT och BNP. Det ger stabila, vattenhaltiga dispersioner fria från skadaUl kemikalier. Både CNT och BNP kan tillsättas till vatten i koncentrationer upp till 5 g / L och kan recirkuleras genom en kraftfull ultraljudscell. Den samtidiga injektionen av ozon i cellen oxiderar gradvis kolnanomaterialen och den kombinerade ultraljuden bryter ned agglomerat och exponerar omedelbart färskt material för funktionalisering. De framställda dispersionerna är idealiska för avsättning av tunna filmer på fasta substrat med användning av elektroforetisk avsättning (EPD). CNT och BNP från de vattenhaltiga dispersionerna kan lätt användas för att belägga kol- och glasförstärkande fibrer med användning av EPD för framställning av hierarkiska kompositmaterial.
Introduction
Användningen av kol nanomaterial för att modifiera polymera och kompositsystem har haft ett intensivt forskningsintresse de senaste 20 åren. De senaste recensionerna om både användningen av kolnanorör 1 (CNT) och grafen nanoplatelets 2 (BNP) ger en indikation på forskningsbredd. Den höga specifika styvheten och styrkan hos CNT och BNP, liksom deras höga elektriska ledningsförmåga, gör materialen lämpligt lämpade för införlivande i polymersystem för att förbättra både den mekaniska och elektriska prestandan hos de nanokompositmaterialen. CNT och BNP har också använts för utveckling av hierarkiska kompositstrukturer genom att använda kolnanomaterialen för att modifiera både fibergränsad vidhäftning och matrisstyvhet 3 , 4 .
Den homogena dispersionen av kolnanomaterial i polymera system kräver oftaBearbetningssteg, vilka kemiskt förändrar nanomaterialen för att förbättra den kemiska kompatibiliteten med polymermatrisen, avlägsna föroreningar och minska eller avlägsna agglomerat från de mottagna materialen. En mängd olika metoder för att kemiskt modifiera kolnanomaterial är tillgängliga och kan innefatta våt kemisk oxidation med användning av starka syror 5 , 6 , modifiering med ytaktiva medel 7 , elektrokemisk interkalering och exfoliering 8 eller behandling av torrkemikalier med användning av plasmabaserade processer 9 .
Användningen av starka syror i oxidationssteget av CNT s introducerar syrefunktionsgrupper och avlägsnar föroreningar. Det har emellertid nackdelen att signifikant minska CNT-längden, införa skada på CNT-ytterväggarna och använda farliga kemikalier, vilka måste isoleras från det behandlade materialet för vidare bearbetning 10 </ Sup>. Användningen av ytaktiva medel kombinerat med ultraljud ger en mindre aggressiv metod för att framställa stabila dispersioner, men det ytaktiva medlet är ofta svårt att avlägsna från det behandlade materialet och kan inte vara kompatibelt med polymeren som används för att framställa de nanokompositmaterialen 1 , 11 . Styrkan hos den kemiska interaktionen mellan ytaktiva molekylen och CNT eller BNP kan också vara otillräcklig för mekaniska tillämpningar. Torra plasmabehandlingsprocesser som genomförs under atmosfäriska förhållanden kan vara lämpliga för funktionalisering av arrays av CNT, närvarande på fiber eller plana ytor, som används för att förbereda hierarkiska kompositer 9 . Emellertid är det atmosfäriska plasman svårare att applicera på torra pulver och tar inte upp problemen med agglomerater närvarande i såsom tillverkade råa kol-nanomaterial.
I det nuvarande arbetet introducerar vi en detaljerad beskrivning av ultraljudetIcated-ozonolysis (USO) -metoden som vi tidigare tillämpat på kolnomaterial 12 , 13 , 14 . USO-processen används för att framställa stabila, vattenhaltiga dispersioner som är lämpliga för elektroforetisk avsättning (EPD) av både CNT och BNP på kol och glasfibrer. Exempel på EPD med användning av USO-funktionaliserade CNT för att avsätta tunna, likformiga filmer på rostfritt stål och kolvävnadsubstrat kommer att tillhandahållas. Metoder och typiska resultat som används för att kemiskt karakterisera de funktionaliserade CNT-värdena och BNP-värdena kommer också att tillhandahållas med hjälp av både röntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) och Raman-spektroskopi. En kort diskussion av karakteriseringsresultaten i jämförelse med andra funktionaliseringstekniker kommer att tillhandahållas.
Arbeta hälso- och säkerhetsmeddelande
Effekterna av exponering för nanopartiklar som CNT, på människors hälsa, är inte väl förstådda. DetRekommenderas att särskilda åtgärder vidtas för att minimera exponering för och undvika miljöförorening med CNT-pulver. Föreslagna riskisoleringsåtgärder innefattar att arbeta inom ett HEPA-filterutrustat rökskåp och / eller handskfack. Arbetshygieniska åtgärder inkluderar skyddskläder och två lager av handskar och utför regelbunden rengöring av ytor med fuktiga pappershanddukar eller dammsugare med HEPA-filter för att avlägsna stränga CNT-pulver. Förorenade föremål ska förpackas för avfallsavfall.
Exponering för ozon kan irritera ögonen, lungorna och andningsorganen och i högre koncentrationer kan orsaka lungskador. Det rekommenderas att åtgärder vidtas för att minimera person- och miljöexponering för genererad ozongas. Isoleringsåtgärder innefattar att arbeta inom ett rökskåp. Eftersom returluftsströmmen kommer att innehålla oanvänd ozon, ska den passera genom en ozonförstörningsenhet innan den släpps ut i atmosfärensfär. Dispersioner som har haft ozon bubblat genom dem kommer att innehålla lite upplöst ozon. Efter ozonolysoperationer, låt dispersionerna sitta i 1 h innan ytterligare bearbetning görs så att ozonet kan genomgå naturlig sönderdelning.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Funktionalisering av CNT och BNP med ultraljudsonzonolys
- Väg nanomaterialen i en handskfack i ett HEPA-filterutrustat rökskåp. Väg den önskade mängden nanomaterial i en bägare. Överför till en flaska och tillsätt ultralätt vatten för att göra en koncentration av 1 g / L.
- Tät flaskan med lock. Ultraljud i ett standard ultraljudsbad (se Materiallista, frekvens: ~ 43 ± 2 kHz, effekt: 60 W) för att sprida CNT eller BNP.
OBS: VARNING. Se arbetshälso- och säkerhetsmeddelandet ovan. - Häll försiktigt nanomaterialsuspensionen i en reaktorkolv innehållande en magnetomrörare. Fäst ett kolvkåpa med tillräckliga portar för ozon- och ultraljudshorninlopp och utlopp. Placera detta på en omrörningsplatta och sätt på magnetomröraren genom att justera ratten för att förhindra att CNT sätter sig ur suspensionen.
- Montera ultraljudshornet i ultraljudscellen och kontrollera att hornetTipset är i gott skick. Se figur 1 .
Figur 1: Ultraljudsolonnolysystem. Detta schematiska diagram illustrerar hur man kopplar de olika elementen i ultraljudsonzonolyssystemet. Vänligen klicka här för att se en större version av denna figur.
- Använd silikonrör för att ansluta reaktorn, ultraljudscellen och peristaltpumpen. Se Figur 1 .
- Sätt in ozonbubblaren i reaktorn och anslut den till ozongeneratorn.
OBS: VARNING. Se arbetshälso- och säkerhetsmeddelandet ovan. - Anslut den återcirkulerande vätskekylarenheten till en kylspole (för att kyla reaktorn) och till ultraljudscellkylmanteln. Vrid omkopplaren för att sätta på det recirkulerande vätskekyletG-enhet för att kyla ozonreaktorn och ultraljuds-cellen. Se till att kylvätskan strömmar genom både ultraljuds-cellen och reaktorkylan.
- Använd ett termoelement anslutet till ultraljudshornstyrenheten för att mäta reaktortemperaturen. Vänta tills systemet har svalnat till 5 ° C.
- Placera reaktorkolven med CNT: erna i läge. Sätt in ozondiffusorn i botten av reaktorkolven så att den är helt nedsänkt. Se till att utloppsslangen till ultraljuds cellen är nedsänkt minst 25 mm under dispersionsytan.
- Anslut utloppsröret från reaktorn till ozonförstörningsenheten med samma silikonrör som vid peristaltisk pumpning. Användning av en vattenbubbler på utloppssidan av ozonförstärkarenheten är valfri, men det bidrar till att fånga eventuellt kvarvarande ozon och ger en indikation på att ozongeneratorn är ansluten och fungerar korrekt.
- Slå på syrgasförsörjningen till ozongeneratorn och ställ in ventilen för att uppnå en flödeshastighet på 0,5 l / min genom ozongeneratorn.
- Slå på ozongeneratorn genom att vrida omkopplaren. Låt det springa i 30-60 min före pumpning eller ultraljudsprocessen.
- Slå på peristaltisk pump, justera den till 0,67 Hz genom att vrida pumpratten till en inställning på cirka 5 eller 6, och se till att CNT-dispersionen flyter jämnt genom cellen.
- Slå på ultraljudshornet och ställ in effekten till 60 W genom att ange detta värde i kontrollmodulen under manuell manövermeny.
- Vid uppstart, rampa upp amplitudinställningen långsamt för att uppnå önskad effekt på 60 W.
OBS: Ultraljudshornet arbetar vid 20 kHz. Amplitudinställningen och effektinställningen är vanligtvis av liknande värden, men vid initial start kan amplitudinställningen behöva ökas långsamt för att uppnå önskanD effektutgång på 60 W.
- Observera sonikeringsprocessen i minst 30 minuter för att säkerställa stabil pumpning och ultraljudshornsoperation.
- Övervaka den flexibla slangen i direkt kontakt med peristaltisk pumpmekanism för slitage. Justera rörpositionen varannan varannanh för att säkerställa att röret upprätthåller integriteten. Byt slangen för varje separat kolfananaterialförädling.
- När önskad USO-bearbetningstid har gått, tryck på strömbrytarna för att stänga av ozongeneratorn, sonikatorn och pumpen. Håll omrörningen tills koldioxid nanomaterialdispersionen är klar att överföras till en förseglad behållare för senare användning vid elektroforetisk avsättning.
- Vänta ca 1 h före överföring av dispersionen så att ozon i lösning kan sönderfalla.
- Om elektrofores inte utförs inom 24 timmar av USO-bearbetning, sonikera nanomaterialdispersionen igen för att minimera antalet partiklarS bosättning ut ur dispersion. Sätt in sonichornet i flaskan av kolf nanomaterialdispersionen och sonikatet (som ovan) i 30 minuter före användning.
2. Elektrofores
- Förbered tre elektroder av rostfritt stål, 60 mm (L) x 25 mm (W), från 0,2 mm arkmaterial.
- Abrade elektroderna med P1000 aluminiumoxid sandpapper med ultratat vatten som smörjmedel. Efter nötningen placerar du elektroderna i ultraljudsrengöringsbadet och rengör dem i 10 minuter i ultratat vatten.
- Placera elektroden som används för anodisk avsättning i en ren ugn vid 100 ° C och torka den i 10 minuter. Flytta elektroden till en uttorkare och låt den svalna. Väg elektroden på en fyrafigurig analytisk balans.
- Anteckna elektrodens vikt till fyra decimaler som obelagd vikt i gram. Torka de återstående två elektroderna och förvara dem i torkmedlet för användning som katod för deplacera.
- Med hjälp av ett lämpligt klämarrangemang (se fig. 2 ), såsom en liten skruv och 10 mm icke-ledande plastavstånd, monterar elektroderna, varvid de yttre elektroderna används som katoder och inre elektrod som anod.
Figur 2: Elektroforetisk deponeringscell. Detta schematiska diagram illustrerar konfigurationen av den elektroforetiska deponeringscellen. Vänligen klicka här för att se en större version av denna figur.
- Överför 35 ml kol nanomaterialdispersion till en 50 ml bägare.
- Placera elektroden av rostfritt stål på ett retortstativ och sakta sänk elektroderna till hela bägardjupet. Anslut den positiva kontakten på likströmsspänningen till den centrala rostfria anode. Anslut den negativa terminalen på likströmsspänningen till den yttre katoden. Anslut de två yttre katoderna med en ledare med alligatorklämmor.
- Om det krävs korrekta nuvarande mätningar, anslut en multimeter i serie med nätaggregatet och elektroderna för att möjliggöra övervakning under avsättning.
- Justera nuvarande inställning på likströmsförsörjningen till maxströmmen (nominellt 2 A) och därefter spänningen till det önskade värdet för studierna, se till att strömförsörjningsutgången är avstängd. Förbered en stoppur och slå på strömförsörjningen för den önskade beläggningsvaraktigheten.
- För ett typiskt beläggningsexperiment, justera spänningen till 10 V, med beläggningstiderna från 1 till 15 min. Stäng av strömkällan och dra sedan långsamt elektroderna ur dispersionen, så att filmen inte störs.
- Koppla ur terminalerna från elektroderna och vrid långsamt elektroderna till en horisontell orientering tO låt filmen på anoden torka jämnt. När fukten har avdunstat från filmen vid rumstemperatur, demontera elektrodarmaturen och placera anoden i ugnen vid 100 ° C för att torka i 1 timme.
- Kläm och häng anoden i ugnen för att säkerställa att filmen inte kommer i direkt kontakt med några ytor.
- Placera den filmbelagda anoden i torkmedlet och låt den svalna, väga den på en fyrafimig analytisk balans. Anteckna vikten till fyra decimaler. Subtrahera vikten av den obelagda anoden för att bestämma massan av den avsatta filmen.
- Fotografera den belagda anoden. Använd ett lämpligt bildbehandlingspaket för att noggrant mäta området för den avsatta filmen. Använd massan och området för att registrera filmdensiteten i mg / cm 2 .
- Upprepa beläggningen och vägningstegen för varje avsättningstid som krävs för att bestämma hastigheten för avsättning av kolnitomaterialet på rostfritt sGräs för de specifika fältstyrkorna som används.
3. Kemisk karaktärisering - röntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) 15
- För att förbereda proverna för XPS-analys, sänka de vattenhaltiga CNT-dispersionerna från den ursprungliga dispersionen av 1 g / l.
- Använd en pipett, sätt in en dispersionsdropp på en disk i rostfritt stål och låt den torka vid rumstemperatur. Upprepa processen tills en jämn tjock CNT-beläggning med en tjocklek på ca 2 μm observeras på skivan. Montera rostfritt stålskivan på provstubbar med dubbelsidig ledande tejp.
- Sätt proverna i provingångskammaren och pumpa ner till ett vakuum på 5 x 10 -7 Torr innan de överförs till huvudanalyskammaren. Vänta på att huvudkammarens tryck når 5 x 10-9 Torr innan du ställer in provet och genomför analysen.
- TillFölj de typiska driftsförhållandena för XPS-mätningarna, använd en monokromatisk Al K α, 1 röntgenkälla som arbetar vid 150 W för att belysa ett område på 700 μm x 300 μm. Detektera fotoelektroner vid 90 ° startvinkel med avseende på provytan.
- Kalibrera spektrometer energi skalan med hjälp av Au 4f 7/2 fotoelektron topp vid en bindningsenergi av 83,98 eV.
OBS: Energiskalan är inställd i instrumentets styrprogramvara under instrumentets initiala igångsättning. Det kontrolleras regelbundet efter eventuella underhållsoperationer av spektroskopisten som ansvarar för utrustningen och bör inte ändras av användarna.
- Kalibrera spektrometer energi skalan med hjälp av Au 4f 7/2 fotoelektron topp vid en bindningsenergi av 83,98 eV.
- Övervaka den ursprungliga provladdningen genom att placera ett 30-eV-fönster över C 1s-regionen. Utför laddningskompensation genom att justera elektronflödespistolparametrarna systematiskt för att placera C 1s-toppen vid 284,6 eV och för att minimera toppbredd vid halva maximal toppintens Ity (FWHM).
- Genomföra undersökningsskanningar vid 160 eV passera energi och 0,5 eV steg, med en uppehållstid på 0,1 s, i fast analysatorns överföringsläge för att identifiera ytelementen. Skaffa regionspektra vid en 20 eV passera energi med hjälp av 0,05-eV steg och en 0,2 s dwell. Använd mellan 4 och 8 svep för att förbättra signal-brusförhållandet.
- För att kvantifiera spektra, använd en Shirley-bakgrundspassform och känslighetsfaktorer från ett lämpligt elementärt bibliotek 16 .
- Deconvolve C 1s röntgenfotoelektron-spektra med hög upplösning för att bestämma de olika kolsyrearterna som är närvarande med USO-behandlingstid 15 .
- För att noggrant dekonvolutera Cs-toppen, utföra en initial topppassning till formen av grafit kol för att säkerställa att toppformen på grund av sp2-bindningen och bidragen från skak-satelliterna med låg energi-noll upprätthålls> 17. För all toppmontering, begränsa komponentbindningsenergierna och FWHM med ± 0,1 eV respektive ± 0,2 eV och använd ett Gaussian / Lorentzian-förhållande på 30.
- Montera grafit toppformen med sex separata toppar. Bibehålla vid fasta förhållanden områdena av varje topp i förhållande till huvudgrafitoppen vid 284,6 eV för att upprätthålla en konsekvent form på grund av den grafitiska komponenten i det bearbetade nanomaterialet 15 , 9 , 14 .
4. Strukturell karaktärisering - Ramanspektroskopi 18
- Förbered nanomaterialen för Ramans spektroskopiska karakterisering genom att späda den ursprungliga dispersionen med avjoniserat vatten för att uppnå en 0,1 g / L-koncentration. Pipettera 0,05 ml dispersion på ett lämpligt polerat guld substrat. Låt droppen avdunsta vid rumstemperatur för att producera en tunn kolfilm på vilken den ska focOss Raman laser spot.
OBS! Storleken på guldsubstratet är oavsiktlig för resultatet när ett stort substrat används, kan flera prover läggas på en enda bild. - Genomför Raman mätningar med en 50X förstoring objektiv lins med hjälp av ett dispersivt konfokalt mikroskop och en 532 nm laser. Skaffa spektra mellan 3,500 och 50 cm -1 vid en upplösning av 2 cm -1 . Använd en 50 μm pinhålöppning med en laser energi mellan 1 och 10 mW, med maximal möjlig energi så att ingen provnedbrytning inträffar under insamlingen.
- Samla spektra genom att ackumulera mellan 10 och 50 skanningar och använda en exponeringstid mellan 2 och 5 s för varje enskild skanning för att uppnå ett rimligt signal-brusförhållande.
5. Filmmorfologi - Skanningelektronmikroskopi (SEM)
- För SEM-analys av funktionaliserad kontra icke-funktionell CNT / BNP, späd en droppeEt av varje dispersion till 0,1 g / 1 med användning av avjoniserat vatten. Deponera den på en aluminium SEM-stub och låt lufta över natten.
- För EPD-filmer avsatta på elektroder av rostfritt stål skär du elektroderna i 1 cm x 1 cm rutor och monterar dem på provstubbar med dubbelsidig ledande tejp. Måla en liten linje silverdag ( dvs. ledande lim / färg) från provstubben på provets övre yta för att förbättra den ledande banan. Torka provet under en värmelampa i minst 15 minuter.
- Placera det monterade provet i sputtercoatern och ge det en ledande iridiumbeläggning ca 1,3-1,5 nm tjock 19 .
- På tjocklekmåttenheten ställer du in materialdensiteten till lämplig nivå, vilket är 22,56 g / cm 3 för iridium. Justera inställningen för måltjocklek till 1,0 nm för att ge en tjocklek på ungefär 1,3-1,5 nm när man regner med termisk drift under beläggningen process.
- Ställ in beläggningsenheten så att sputtercoaterfunktionen styrs av tjockleksmätarenheten. Välj önskad effekt, som ska vara 80 mA för en högupplösningsbeläggning 19 .
- Noll beläggningens tjockleksmätare på tjocklekskontrollenheten och tryck på "Cykel" -knappen för att påbörja den automatiska kammarevakueringen, argonblödning / spolning och beläggningssekvensen. När kraften har nått önskad nivå, flytta åt sidan målskärmen så att beläggningen börjar. Rotera och luta scenen under beläggningen för att underlätta en jämn beläggning på alla sidor.
- Undersök nanomaterialen med en fältemission SEM med en in-linsdetektor. Använd ett arbetsavstånd på ca 3 mm och en accelerationsspänning på 3,0 kV.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figur 3 visar XPS-widescanningskarakteriseringen av CNT som hade genomgått USO-behandling. CNT som inte hade genomgått USO visar nästan ingen syrehalt. När USO-tiden ökar ökar ytsyrehalten. Figur 4 diagram visar att syre-till-kolförhållandet ökar som en funktion av USO-tiden. Tabell 1 visar dekoncentrationerna av dekoncentrerade kolfartor av BNP behandlad med USO. Toppkopplingen använde en kombination av begränsade toppar representerade av Gr1 till Gr6 för att representera den inneboende toppformen på grund av grafit och de associerade energiförlustfunktionerna 17 . Den syreinnehållande arten tillsattes sedan och en korskorrelation med toppens anpassningsdata för Cs och de elementära C och O-procentsatserna gjordes för att säkerställa att förnuftiga toppmonteringsresultat uppnåddes. CO, C = O och COO-arterna är obetydliga nivåer utan USO-behandling men iKrökt markant med 12 h av USO.
Ramanspektra av CNT som behandlas av USO visas i figur 5 . Intensiteten hos D-bandet vid 1,346 cm- 1 betecknar närvaron av defekter i CNT: erna 20 och indikerar att defekter redan existerade i CNT före USA-behandlingen. Med ökande USO-behandlingstiden finns ett skifte i G-bandet, från 1 576 cm -1 till 1 582 cm -1 , med en andra komponent som blir mer uttalad vid 1 618 cm -1 . Detta motsvarar en ökning av CNT: s oxidationsnivå. Det finns också en märkbar minskning av intensiteten hos 2D-bandet vid 2,698 cm- 1 och en liten ökning av D + G-bandet vid 2,941 cm- 1 med USO-behandlingstiden vilket indikerar en ökad oxidationsnivå i CNT 20 .
Intensitetsförhållandet mellan D och G-bandetS, I D / I G , mättes vid 1,18 utan USO, ökades till 1,37 efter 155 min USO-behandling och fortsatte att öka i mycket långsammare takt med större USO-behandlingstider. Detta kan indikera att oxidation sker huvudsakligen vid befintliga defekter, och när de befintliga defektsställena är mättade uppträder oxidationseffekten av ytterligare USO-behandlingstiden i en långsammare takt. Detta tyder på att det finns minimal skada på den så mottagna CNT-strukturen från USO.
SEM-bilderna i Figur 6 visar USO-behandlade CNTs jämfört med obehandlade CNTs. De obehandlade CNT: erna är starkt klumpiga, medan de USO-behandlade CNT: erna är mycket jämnare dispergerade över ytan, vilket visar att USO har hjälpt till att minska agglomeraten närvarande i det mottagna materialet.
De USO-behandlade CNT: erna avsattes sedan elektroforetiskt med användning av en mängd olika egenskaperjoner. Tjockare filmer framställdes när elektroforestiden ökades; Tjockare filmer framställdes också genom användning av högre CNT-koncentrationer, såsom visas i figur 7 . Liknande resultat uppnås när BNP används. Figur 8 visar graden av elektroforetisk avsättning vid olika CNT-koncentrationer, med användning av avsättningshastigheter beräknat från kurvanpassning av data i figur 7 . Det verkar som att hastigheten för EPD hos USO-behandlade CNTs kan förutsägas rimligt bra om den initiala CNT-koncentrationen är känd. Det linjära förhållandet i deponeringshastighet och dispersionskoncentration förutses från Hamaker Law 21 , men logaritmen i deponering visar att förändringar i deponeringsparametrarna sker med tiden. Vårt tidigare arbete, där CNTs deponerades på kol 12 och glas 13- material, visade också tydligt att deponeringshastigheten med tiden är olinjär. FnDär konstant spänningsavsättning ökar CNT-filmens motstånd, vilket leder till en minskning av deponeringshastigheten.
Figur 3: Kemisk karaktärisering - XPS. CNT som hade utsatts för USO för varierande tider analyserades med användning av XPS. Den här bilden visar den breda avsökningsändringen i syre (532 eV) och kol (284,6 eV) intensitet, med syreintensiteten ökande vid högre USO-tider. Vänligen klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 4: Atomförhållande - XPS. Denna graf visar förändringen i O: C-atomförhållandet för CNT med ökande USO-tider, beräknat frånSkanningar som visas i figur 3 . Ozonolysmekanismen är väldigt komplex och polynomisk passform tillhandahålls som en guide till läsaren för att visa trenden i oxidationshastigheten, men att inte förklara någonting om ozonolysmekanismen. Vänligen klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 5: Strukturell karaktärisering - Raman. Alla spektra uppvisade starka D-band (~ 1,346 cm- 1 ), G-band (~ 1 576 cm- 1 ), 2D-band (~ 2,698 cm- 1 ) och D + G-band (~ 2,941 cm- 1 ). D-bandförhöjningen indikerar en viss ökning av grafitfel. Vänligen klicka här för att se en större version av denna figur. >
Figur 6: Filmmorfologi - SEM. Dessa bilder visar CNT som var ( a ) inte kemiskt behandlade och ( b ) USO-behandlade under 16 timmar. Vänligen klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 7: Elektroforesmätningar. Denna graf visar densiteten hos EPD-filmerna mot avsättningstiden med användning av tre olika koncentrationer av CNT-dispergerade i vatten. Blå diamanter = 2 g / L, röda rutor = 1,5 g / L och gröna trianglar = 1 g / L. Ett 14 V / cm DC elektriskt fält användes för dessa prover.Jpg "target =" _ blank "> Vänligen klicka här för att se en större version av den här bilden.
Figur 8: Elektroforetisk deponeringshastighet. Plot av EPD-hastigheten jämfört med CNT-koncentrationerna, med användning av avsättningshastigheter beräknat från kurvanpassningen i figur 7-plot av filmdensitet kontra avsättningstid. Vänligen klicka här för att se en större version av denna figur.
| namn | Placera | Begränsning | FWHM | Begränsning | Arealbegränsning | % AtomicKoncentration | |
| 0 h | 12 h | ||||||
| Gr 1 | 284,6 | ± 0,1 | 0,7 | ± 0,2 | Bästa passform | 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 | Bästa passform | 2,1 | |||
| CO | 287 | 1,2 | Bästa passform | 1,5 | 14,3 | ||
| C = O | 288,6 | 1,2 | Bästa passform | 0,9 | 12,4 | ||
| KUTTRA | 289,4 | 1,2 | Bästa passform | 0,9 | 5,3 | ||
Tabell 1: Kemisk karaktärisering - XPS. Tabellen visar de toppmonterade parametrarna som används för att dekonvoluera C 1s-spektret för de BNP som behandlas med USO-metoden under 0 h och 12 h behandlingstider. Det visar också de resulterande atomkoncentrationerna av varje art 14 . Gr 1, Gr 2, etc. representerar de olika grafittopparna som används i passformen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har ingenting att avslöja.
Acknowledgments
Arbetskassans icke-löneskomponent finansierades av Australiens samvälde. Författaren från Delaware University erkänner tacksamt stöd från US National Science Foundation (Grant # 1254540, Dr Mary Toney, Program Director). Författarna tackar mr. Mark Fitzgerald för hans hjälp med de elektroforetiska avsättningsmätningarna.
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).
