Summary
Aquí, se describe un nuevo método para la funcionalización y dispersión estable de nanomateriales de carbono en entornos acuosos. El ozono se inyecta directamente en una dispersión acuosa de nanomaterial de carbono que se recircula continuamente a través de una célula ultrasónica de alta potencia.
Abstract
La funcionalidad de los nanomateriales de carbono es a menudo un paso crítico que facilita su integración en sistemas y dispositivos materiales más grandes. En la forma tal como se ha recibido, los nanomateriales de carbono, como los nanotubos de carbono (CNT) o los nano plaquetas de grafeno (GNP), pueden contener grandes aglomerados. Tanto los aglomerados como las impurezas disminuirán los beneficios de las propiedades eléctricas y mecánicas únicas ofrecidas cuando se incorporan CNT o PNB en polímeros o sistemas de materiales compuestos. Aunque existe una variedad de métodos para funcionalizar los nanomateriales de carbono y crear dispersiones estables, muchos de los procesos utilizan productos químicos agresivos, disolventes orgánicos o tensioactivos, que son ambientalmente hostiles y pueden aumentar la carga de procesamiento al aislar los nanomateriales para su uso posterior. La investigación actual detalla el uso de una técnica alternativa y respetuosa con el medio ambiente para la funcionalización de CNT y PNB. Produce dispersiones estables, acuosas libres de dañoUl productos químicos. Tanto los CNT como los PNB pueden añadirse al agua a concentraciones de hasta 5 g / L y pueden ser recirculados a través de una célula ultrasónica de alta potencia. La inyección simultánea de ozono en la célula oxida progresivamente los nanomateriales de carbono y la ultrasonicación combinada descompone los aglomerados e inmediatamente expone material fresco para la funcionalización. Las dispersiones preparadas son ideales para depositar películas delgadas sobre sustratos sólidos usando deposición electroforética (EPD). Los CNT y los PNB de las dispersiones acuosas se pueden usar fácilmente para recubrir fibras de refuerzo de carbono y vidrio usando EPD para la preparación de materiales compuestos jerárquicos.
Introduction
El uso de nanomateriales de carbono para modificar sistemas poliméricos y compuestos ha sido objeto de un intenso interés de investigación en los últimos 20 años. Las revisiones recientes sobre el uso de nanotubos de carbono 1 (CNTs) y nanoplaquetas de grafeno 2 (PNBs) proporcionan una indicación de la amplitud de la investigación. La elevada rigidez y resistencia específica de los CNT y PNBs, así como su elevada conductividad eléctrica intrínseca, hacen que los materiales sean idóneos para su incorporación en sistemas poliméricos para mejorar tanto el rendimiento mecánico como el eléctrico de los materiales nanocompuestos. CNTs y PNBs también se han utilizado para el desarrollo de estructuras de compuesto jerárquico mediante el uso de los nanomateriales de carbono para modificar tanto la fibra de adhesión interfacial y la matriz de rigidez [ 3 , 4] .
La dispersión homogénea de nanomateriales de carbono en sistemas poliméricos requiere a menudoEtapas de procesamiento, que alteran químicamente los nanomateriales para mejorar la compatibilidad química con la matriz polimérica, eliminar impurezas y reducir o eliminar aglomerados de los materiales recibidos. Se dispone de una variedad de métodos para modificar químicamente los nanomateriales de carbono y puede incluir oxidación química en húmedo utilizando ácidos fuertes 5 , 6 , modificación con agentes tensioactivos 7 , intercalación y exfoliación electroquímica 8 o procesamiento químico en seco utilizando procesos basados en plasma 9 .
El uso de ácidos fuertes en la etapa de oxidación de CNTs introduce grupos funcionales de oxígeno y elimina las impurezas. Sin embargo, tiene la desventaja de reducir significativamente la longitud del CNT, introduciendo daños en las paredes exteriores de la CNT y utilizando productos químicos peligrosos, los cuales necesitan ser aislados del material tratado para su posterior procesamiento 10 </ Sup>. El uso de tensioactivos combinados con la ultrasonicación ofrece un método menos agresivo para preparar dispersiones estables, pero el tensioactivo es a menudo difícil de eliminar del material tratado y puede no ser compatible con el polímero que se utiliza para preparar los materiales nanocompuesto 1 , 11 . La fuerza de la interacción química entre la molécula de tensioactivo y CNT o GNP también puede ser insuficiente para aplicaciones mecánicas. Los procesos de tratamiento con plasma seco llevados a cabo en condiciones atmosféricas pueden ser adecuados para la funcionalización de matrices de CNT, presentes en la fibra o superficies planas, utilizadas para preparar compuestos jerárquicos 9 . Sin embargo, el plasma atmosférico es más difícil de aplicar a los polvos secos y no aborda los problemas con los aglomerados presentes en los nanomateriales de carbono en bruto asfabricados.
En el presente trabajo, se introduce una descripción detallada de los ultrasonidos(USO) que hemos aplicado previamente a los nanomateriales de carbono 12 , 13 , 14 . El procedimiento USO se utiliza para preparar dispersiones acuosas estables que son adecuadas para depositar electroforéticamente (EPD) tanto CNTs como GNPs sobre fibras de carbono y vidrio. Se proporcionarán ejemplos de EPD que utilizan CNT funcionalizados con USO para depositar películas delgadas y uniformes sobre sustratos de tela de acero inoxidable y carbono. También se proporcionarán métodos y resultados típicos para caracterizar químicamente los CNT y GNP funcionalizados, utilizando espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS) y espectroscopia Raman. Se proporcionará una breve descripción de los resultados de la caracterización en comparación con otras técnicas de funcionalización.
Aviso de salud y seguridad del trabajo
Los efectos de la exposición a nanopartículas, como los CNT, sobre la salud humana no se conocen bien. EsoSe recomienda que se tomen medidas especiales para minimizar la exposición y evitar la contaminación ambiental con polvos CNT. Las medidas sugeridas para el aislamiento de peligros incluyen trabajar dentro de una campana de humo equipada con filtro HEPA y / o guantera. Las medidas de higiene laboral incluyen usar ropa protectora y dos capas de guantes y realizar la limpieza regular de superficies usando toallas de papel húmedas o una aspiradora con un filtro HEPA para eliminar polvos dispersos de CNT. Los artículos contaminados deben ser ensacados para la eliminación de residuos peligrosos.
La exposición al ozono puede irritar los ojos, los pulmones y el sistema respiratorio, ya concentraciones más altas puede causar daño pulmonar. Se recomienda tomar medidas para minimizar la exposición personal y ambiental al gas ozono generado. Las medidas de aislamiento incluyen trabajar dentro de una chimenea. Como la corriente de aire de retorno contendrá ozono no utilizado, debe pasar a través de una unidad de destrucción de ozono antes de ser liberado en el atmoesfera. Dispersiones que han tenido burbujas de ozono a través de ellos contendrá algo de ozono disuelto. Después de las operaciones de ozonolisis, deje que las dispersiones se sienten durante 1 h antes de realizar el procesamiento posterior de modo que el ozono pueda sufrir descomposición natural.
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Protocol
1. Funcionalización de CNTs y PNBs por ozonólisis ultrasónica
- Pesar los nanomateriales en una guantera dentro de una campana de humos equipada con filtros HEPA. Pesar la cantidad deseada de nanomateriales en un vaso de precipitados. Transferir a una botella y añadir agua ultrapura para hacer una concentración de 1 g / L.
- Selle la botella con una tapa. Ultrasonido en un baño ultrasónico estándar (ver lista de materiales, frecuencia: ~ 43 ± 2 kHz, potencia: 60 W) para dispersar los CNT o PNB.
NOTA: PRECAUCIÓN. Vea el Aviso de Salud y Seguridad del Trabajo anterior. - Verter cuidadosamente la suspensión de nanomateriales en un matraz de reactor que contiene una barra agitadora magnética. Coloque una tapa del matraz del reactor con suficientes puertos para las entradas y salidas de ozono y de ultrasonidos. Colocarlo sobre una placa de agitación y girar el agitador magnético ajustando el dial para evitar que los CNTs se asienten fuera de la suspensión.
- Montar el cuerno ultrasónico en la célula ultrasónica y comprobar que el cuernoLa punta está en buenas condiciones. Vea la Figura 1 .
Figura 1: Sistema de ozonolisis por ultrasonidos. Este diagrama esquemático ilustra cómo conectar los diversos elementos del sistema de ozonolisis por ultrasonidos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
- Utilice tubos de silicona para conectar el reactor, la celda ultrasónica y la bomba peristáltica. Consulte la Figura 1 .
- Insertar el burbujeador de ozono en el reactor y conectarlo al generador de ozono.
NOTA: PRECAUCIÓN. Vea el Aviso de Salud y Seguridad del Trabajo anterior. - Conecte la unidad refrigeradora de líquido de recirculación a una bobina de enfriamiento (para enfriar el reactor) ya la camisa de enfriamiento de células ultrasónicas. Gire el interruptor para encender el líquido de recirculaciónG para enfriar el reactor de ozono y la célula ultrasónica. Asegúrese de que el líquido de refrigeración está fluyendo a través tanto de la celda ultrasónica como del baño de enfriamiento del reactor.
- Utilice un termopar conectado a la unidad de control de bocina ultrasónica para medir la temperatura del reactor. Espere hasta que el sistema se haya enfriado a 5 ° C.
- Colocar el matraz del reactor con los CNT en posición. Inserte el difusor de ozono en la parte inferior del matraz del reactor para que esté completamente sumergido. Asegúrese de que el tubo de salida a la célula ultrasónica está sumergido por lo menos 25 mm por debajo de la superficie de la dispersión.
- Conecte el tubo de salida del reactor a la unidad de destrucción de ozono utilizando la misma tubería de silicona que en la operación de bombeo peristáltica. El uso de un burbujeador de agua en el lado de salida de la unidad de destrucción de ozono es opcional, pero ayuda a capturar cualquier ozono residual y proporciona una indicación de que el generador de ozono está conectado y funciona correctamente.
- Active el suministro de oxígeno al generador de ozono y ajuste la válvula para lograr un caudal de 0,5 l / min a través del generador de ozono.
- Encienda el generador de ozono girando el interruptor. Permitir que funcione durante 30-60 min antes de iniciar el bombeo o el proceso de ultrasonidos.
- Encienda la bomba peristáltica, ajústela a 0.67 Hz girando el selector de la bomba a un ajuste de aproximadamente 5 ó 6 y asegúrese de que la dispersión de CNT fluya uniformemente a través de la celda.
- Encienda el cuerno ultrasónico y ajuste la potencia a 60 W introduciendo este valor en el módulo de control en el menú de operación manual.
- En la puesta en marcha inicial, suba lentamente el ajuste de amplitud para lograr la potencia deseada de 60 W.
NOTA: El cuerno ultrasónico funciona a 20 kHz. El ajuste de la amplitud y el ajuste de la potencia suelen ser de valores similares, pero al inicio, el ajuste de la amplitud puede necesitar ser aumentado lentamente para lograr el deseoD potencia de salida de 60 W.
- Observe el proceso de sonicación durante al menos 30 min para asegurar el bombeo estable y el funcionamiento ultrasónico del bocina.
- Controle el desgaste de la tubería flexible en contacto directo con el mecanismo de la bomba peristáltica. Ajuste la posición del tubo al menos cada 2 h para asegurarse de que el tubo mantiene la integridad. Reemplace la tubería para cada procesamiento de procesamiento de nanomateriales de carbono separado.
- Cuando haya transcurrido el tiempo de procesamiento de USO deseado, presione los interruptores para apagar el generador de ozono, el sonicador y la bomba. Mantener la agitación hasta que la dispersión de nanomateriales de carbono esté lista para ser transferida a un recipiente sellado para uso posterior en deposición electroforética.
- Espere alrededor de 1 h antes de transferir la dispersión para permitir que el ozono en solución se descomponga.
- Si la electroforesis no se realiza dentro de las 24 h del procesamiento USO, sonique nuevamente la dispersión de nanomateriales para minimizar el número de partículasS de la dispersión. Inserte el cuerno sonoro en la botella de la dispersión de nanomaterial de carbono y sonicar (como anteriormente) durante 30 minutos antes de su uso.
2. Electroforesis
- Preparar tres electrodos de acero inoxidable de 60 mm (L) x 25 mm (W), a partir de un material de chapa de 0,2 mm.
- Lijar los electrodos con papel de lija de óxido de aluminio P1000 con agua ultrapura como lubricante. Después de la abrasión, colocar los electrodos en el baño de limpieza por ultrasonidos y limpiarlos durante 10 minutos en agua ultrapura.
- Coloque el electrodo que se va a utilizar para la deposición anódica en un horno limpio a 100 ° C y seque durante 10 min. Mueva el electrodo a un desecador y déjelo enfriar. Pesar el electrodo en una balanza analítica de cuatro cifras.
- Anote el peso del electrodo a cuatro decimales como el peso sin recubrir en gramos. Secar los dos electrodos restantes y almacenarlos en el desecador para su uso como cátodos paraposición.
- Utilizando una disposición de sujeción adecuada (véase la Figura 2 ), como un pequeño vicio y espaciadores de plástico no conductores de 10 mm, ensamble los electrodos, utilizando los electrodos exteriores como cátodos y el electrodo interior como ánodo.
Figura 2: Célula de deposición electroforética. Este diagrama esquemático ilustra la configuración de la célula de deposición electroforética. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
- Transferir 35 ml de dispersión de nanomateriales de carbono a un vaso de precipitados de 50 ml.
- Coloque el accesorio de electrodo de acero inoxidable sobre un soporte de retorta y baje lentamente los electrodos a toda la profundidad del vaso de precipitados. Conecte el terminal positivo de la fuente de alimentación de CC a la central de acero inoxidableDelaware. Conecte el terminal negativo de la fuente de alimentación de CC al cátodo exterior. Conecte los dos cátodos exteriores con un cable con pinzas de cocodrilo.
- Si se requieren mediciones de corriente precisas, conecte un multímetro en serie con la unidad de alimentación y los electrodos para permitir la monitorización durante la deposición.
- Ajuste manualmente el ajuste de corriente en la fuente de alimentación de CC a la corriente máxima (nominalmente 2 A) y luego la tensión al valor requerido para los estudios, asegurándose de que la salida de la fuente de alimentación esté apagada. Prepare un cronómetro y conecte la fuente de alimentación para la duración de revestimiento requerida.
- Para un experimento de revestimiento típico, ajuste el voltaje a 10 V, con tiempos de revestimiento que van de 1 a 15 min. Apague la fuente de alimentación de CC y luego levante lentamente los electrodos de la dispersión, asegurándose de que la película no se altera.
- Desconectar los terminales de los electrodos e invertir lentamente los electrodos en una orientación horizontal tO permitir que la película sobre el ánodo se seque uniformemente. Después de que la humedad se haya evaporado de la película a temperatura ambiente, desmonte el accesorio de electrodo y coloque el ánodo en el horno a 100 ° C para secar durante 1 h.
- Apriete y cuelgue el ánodo en el horno para asegurarse de que la película no entre en contacto directo con ninguna superficie.
- Coloque el ánodo recubierto de película en el desecador y déjelo enfriar, luego páselo sobre una balanza analítica de cuatro cifras. Registre el peso a cuatro decimales. Reste el peso del ánodo no recubierto para determinar la masa de la película depositada.
- Fotografíe el ánodo recubierto. Utilice un paquete de procesamiento de imagen adecuado para medir con precisión el área de la película depositada. Utilice la masa y el área para registrar la densidad superficial de la película en mg / cm2.
- Repita los pasos de revestimiento y de pesaje para cada tiempo de deposición requerido para determinar la velocidad de deposición del nanomaterial de carbono sobre el acero inoxidableTeel para las intensidades de campo específicas que se están utilizando.
3. Caracterización química - Espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS) 15
- Para preparar las muestras para el análisis XPS, colar las dispersiones acuosas de CNT a partir de la dispersión original de 1 g / l.
- Con una pipeta, depositar una gotita de la dispersión en un disco de acero inoxidable y dejar secar a temperatura ambiente. Repita el proceso hasta que se observe un recubrimiento CNT uniformemente grueso de aproximadamente 2 μm de espesor en el disco. Monte el disco de acero inoxidable en los talones de la muestra con cinta adhesiva de doble cara.
- Insertar las muestras en la cámara de entrada de la muestra y bombear hasta un vacío de 5 x 10 -7 Torr antes de transferirlo a la cámara de análisis principal. Espere a que la presión de la cámara principal alcance 5 x 10 -9 Torr antes de colocar la muestra y realizar el análisis.
- ASiga las condiciones de funcionamiento típicas para las mediciones XPS, utilice una fuente monocromática de Al K α, 1 de rayos X que funcione a 150 W para iluminar un área de 700 μm x 300 μm. Detectar fotoelectrones en un ángulo de toma de 90 ° con respecto a la superficie de la muestra.
- Calibrar la escala de energía del espectrómetro utilizando el pico de fotoelectrón Au 4f 7/2 con una energía de enlace de 83,98 eV.
NOTA: La báscula de energía se ajusta en el software de control del instrumento durante la puesta en marcha inicial del instrumento. Es comprobado periódicamente después de cualquier operación de mantenimiento por el espectroscopista a cargo del equipo y no debe ser alterado por los usuarios.
- Calibrar la escala de energía del espectrómetro utilizando el pico de fotoelectrón Au 4f 7/2 con una energía de enlace de 83,98 eV.
- Monitoree la carga inicial de la muestra colocando una ventana de 30 eV sobre la región C 1s. Realizar la compensación de carga ajustando los parámetros de la pistola de inundación de electrones sistemáticamente para posicionar el pico de C 1s a 284,6 eV y para minimizar el ancho de pico a la mitad de la intensidad de pico máxima (FWHM).
- Realizar exploraciones de levantamiento a 160 eV paso de energía y 0,5 eV pasos, con un tiempo de espera de 0,1 s, en modo de transmisión de analizador fijo para identificar las especies elementales de superficie. Adquirir espectros de la región a una energía de paso de 20 eV usando pasos de 0,05 eV y una separación de 0,2 s. Utilice entre 4 y 8 barridos para mejorar la relación señal-ruido.
- Para cuantificar los espectros, utilizar un ajuste de fondo Shirley y factores de sensibilidad de una adecuada biblioteca elemental [ 16] .
- Deconvolve C 1s de alta resolución espectros de rayos X de rayos X para determinar las diferentes especies de carbono-oxígeno presente con USO tiempo de tratamiento [ 15] .
- Para deconvolucionar con precisión el pico C1s, realizar un pico inicial de ajuste a la forma de carbono grafítico para asegurar que la forma del pico debido a la unión sp 2 y las contribuciones de los satélites de baja energía de tipo π se mantienen> 17. Para todo el ajuste de pico, restrinja las energías de unión del componente y FWHM en ± 0,1 eV y ± 0,2 eV, respectivamente, y use una relación Gaussiana / Lorentziana de 30.
- Ajuste la forma del pico de grafito usando seis picos separados. Mantener en proporciones fijas las áreas de cada pico en relación con el pico de grafito principal a 284,6 eV para mantener una forma consistente debido al componente grafítico en el nanomaterial procesado 15 , 9 , 14 .
4. Caracterización Estructural - Espectroscopia Raman 18
- Preparar los nanomateriales para la caracterización espectroscópica Raman mediante la dilución de la dispersión original con agua desionizada para lograr una concentración de 0,1 g / L. Pipetear 0,05 mL de dispersión sobre un sustrato de oro pulido adecuado. Deje que la gotita se evapore a temperatura ambiente para producir una fina película de carbono sobre la cual enfocarNosotros el punto del laser de Raman.
NOTA: El tamaño del sustrato de oro es incidental al resultado cuando se utiliza un sustrato grande, se pueden depositar múltiples muestras en una sola diapositiva. - Realizar mediciones Raman con una lente de objetivo de ampliación 50X usando un microscopio confocal dispersivo y un láser de 532 nm. Adquirir los espectros entre 3.500 y 50 cm -1 a una resolución de 2 cm -1 . Utilice una abertura de agujero de alfiler de 50 μm con una energía láser entre 1 y 10 mW, utilizando la máxima energía posible, de modo que no se produzca degradación de la muestra durante la recolección.
- Recoja los espectros acumulando entre 10 y 50 exploraciones y utilizando un tiempo de exposición entre 2 y 5 s para cada exploración individual para lograr una relación señal / ruido razonable.
5. Morfología Cine - Microscopía Electrónica de Barrido (SEM)
- Para el análisis SEM de CNT funcionalizado versus no funcionalizado CNT / PNB, diluir una droplEt de cada dispersión a 0,1 g / l usando agua desionizada. Depositarlo en un taladro de aluminio de SEM y dejar secar en el aire durante la noche.
- Para las películas EPD depositadas en los electrodos de acero inoxidable, corte los electrodos en cuadrados de 1 cm x 1 cm y colóquelos en los talones de la muestra utilizando cinta conductora de doble cara. Pintar una pequeña línea de dag de plata ( es decir, adhesivo conductor / pintura) del trozo de muestra sobre la superficie superior de la muestra para mejorar la trayectoria conductora. Seque la muestra bajo una lámpara de calentador durante al menos 15 min.
- Colocar el espécimen montado en el recubridor de pulverización y darle un recubrimiento de iridio conductor de aproximadamente 1,3-1,5 nm de grosor 19 .
- En la unidad de medición del espesor, ajuste la densidad del material al nivel apropiado, que es de 22,56 g / cm 3 para el iridio. Ajustar el ajuste de grosor objetivo a 1,0 nm para dar un espesor de aproximadamente 1,3-1,5 nm cuando se cuenta la deriva térmica durante el revestimiento pProceso
- Ajuste la unidad de revestimiento para que la unidad de medición del espesor controle la operación del recubrimiento pulverizador. Seleccione la salida de potencia deseada, que debe ser de 80 mA para un revestimiento de alta resolución 19 .
- Cierre el medidor de grosor del revestimiento en la unidad de control de espesor y presione el botón "Ciclo" para comenzar la evacuación automatizada de la cámara, la purga de argón y la secuencia de revestimiento. Cuando la potencia haya alcanzado el nivel deseado, mueva hacia un lado el escudo objetivo para permitir que comience el revestimiento. Girar e inclinar el escenario durante el revestimiento para facilitar un recubrimiento uniforme en todos los lados.
- Examinar los nanomateriales utilizando una SEM de campo de emisión con un detector en la lente. Utilice una distancia de trabajo de aproximadamente 3 mm y una tensión de aceleración de 3,0 kV.
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Representative Results
La Figura 3 muestra la caracterización XPS de ancho de exploración de CNTs que habían sido sometidos a tratamiento USO. CNTs que no habían sufrido USO casi no muestran contenido de oxígeno. A medida que aumenta el tiempo de USO, aumenta el nivel de oxígeno superficial. La Figura 4 muestra la relación entre oxígeno y carbono en función del tiempo de USO. La Tabla 1 muestra las concentraciones atómicas de las especies de carbono deconvoluidas de PNG tratadas con USO. El pico de ajuste utilizado una combinación de picos restringidos, representados por Gr1 a Gr6, para representar la forma de pico inherente debido al grafito y las asociadas características de pérdida de energía [ 17] . A continuación se a~nadieron las especies que contenıan oxıgeno y se realizó una correlación cruzada con los datos de ajuste de pico de C1 y los porcentajes de C y O elementales para asegurar que se alcanzaron resultados de ajuste de pico sensibles. Las especies de CO, C = O y COO están en niveles insignificantes sin tratamiento USO, pero enCon 12 h de USO.
Los espectros Raman de CNTs tratados con USO se muestran en la Figura 5 . La intensidad de la banda D a 1.346 cm -1 denota la presencia de defectos en los CNT 20 e indica que ya existían defectos en los CNT antes del tratamiento USO. Con el aumento del tiempo de tratamiento con USO, hay un desplazamiento en la banda G, de 1.576 cm -1 a 1.582 cm -1 , con un segundo componente cada vez más pronunciado a 1.618 cm -1 . Esto corresponde a un aumento en el nivel de oxidación de los CNT. También hay una notable disminución en la intensidad de la banda 2D a 2,698 cm -1 y un pequeño aumento en la banda D + G a 2,941 cm -1 con tiempo de tratamiento USO, lo que indica un mayor nivel de oxidación en los CNT 20 .
La relación de intensidad de la banda D a GS, I D / I G , se midió a 1,18 sin USO, aumentó a 1,37 después de 155 min de tratamiento USO, y continuó aumentando a una velocidad mucho más lenta con mayores tiempos de tratamiento USO. Esto puede indicar que la oxidación está ocurriendo principalmente en los defectos existentes, y una vez saturados los sitios defectuosos existentes, el efecto oxidante del tiempo adicional de tratamiento de USO ocurre a una velocidad más lenta. Esto sugiere que hay un daño mínimo a la estructura CNT tal como se recibió de USO.
Las imágenes SEM de la Figura 6 muestran CNT tratados con USO en comparación con CNTs sin tratar. Las CNT no tratadas están altamente agrupadas, mientras que las CNT tratadas con USO se dispersan mucho más uniformemente a través de la superficie, mostrando que la USO ha ayudado a reducir los aglomerados presentes en el material tal como se recibió.
Los CNT tratados con USO fueron depositados electroforéticamente usando una variedad de conditIones. Se produjeron películas más gruesas a medida que aumentaba el tiempo de electroforesis; También se produjeron películas más gruesas usando concentraciones de CNT más altas, como se muestra en la Figura 7 . Se obtienen resultados similares cuando se utilizan los PNB. La Figura 8 muestra la velocidad de deposición electroforética en diversas concentraciones de CNT, usando tasas de deposición calculadas a partir de ajustar la curva de los datos de la Figura 7 . Parece que la tasa de EPD de CNT tratados con USO se puede predecir razonablemente bien si se conoce la concentración inicial de CNT. La relación lineal en la tasa de deposición y la concentración de dispersión se predice a partir de la Ley Hamaker 21 , pero la tasa logarítmica en la deposición muestra que los cambios en los parámetros de deposición se producen con el tiempo. Nuestro trabajo anterior, en el que se depositaron CNTs sobre tejidos de carbono 12 y vidrio 13 , también mostró claramente que la velocidad de deposición con el tiempo no es lineal. Naciones Unidas, La resistencia de la película de CNT aumenta, lo que conduce a una reducción de la velocidad de deposición.
Figura 3: Caracterización química - XPS. Los CNT que habían sido sometidos a USO durante diferentes tiempos se analizaron usando XPS. Esta imagen muestra los cambios de ancho en la intensidad de oxígeno (532 eV) y carbono (284,6 eV), con la intensidad de oxígeno aumentando a mayores tiempos de USO. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4: Proporción Atómica - XPS. Este gráfico muestra el cambio en la relación atómica de O: C de CNTs con tiempos de USO cada vez mayores, calculados a partir delEn la Figura 3 . El mecanismo de ozonolisis es muy complejo, y el ajuste polinomial se proporciona, como una guía para el lector, para mostrar la tendencia en la tasa de oxidación, pero no para explicar nada sobre el mecanismo de ozonolisis. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 5: Caracterización estructural - Raman. Todos los espectros mostraron fuertes bandas D (~ 1.346 cm -1 ), bandas G (~ 1.576 cm -1 ), bandas 2D (~ 2.698 cm -1 ) y bandas D + G (~ 2.941 cm -1 ). El aumento de la banda D indica algún aumento en los defectos grafíticos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. >
Figura 6: Morfología de Película - SEM. Estas imágenes muestran CNTs que fueron ( a ) no tratados químicamente y ( b ) USO-tratados durante 16 h. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 7: Mediciones de electroforesis. Este gráfico muestra la densidad de las películas EPD frente al tiempo de deposición usando tres concentraciones diferentes de CNT dispersas en agua. Diamantes azules = 2 g / L, cuadrados rojos = 1,5 g / L, y triángulos verdes = 1 g / L. Se utilizó un campo eléctrico de 14 V / cm DC para estas muestras.Jpg "target =" _ blank "> Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 8: Tasa de deposición electroforética. Trazado de la tasa de EPD frente a las concentraciones de CNT, utilizando tasas de deposición calculadas a partir del ajuste de la curva de la gráfica 7 de la densidad de la película frente al tiempo de deposición. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
| Nombre | Posición | Restricción | FWHM | Restricción | Restricción de área | % AtómicaConcentración | |
| 0 h | 12 h | ||||||
| Gr 1 | 284,6 | ± 0,1 | 0,7 | ± 0,2 | Mejor ajuste | 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 | Mejor ajuste | 2.1 | |||
| CO | 287 | 1.2 | Mejor ajuste | 1,5 | 14,3 | ||
| C = O | 288,6 | 1.2 | Mejor ajuste | 0,9 | 12,4 | ||
| ARRULLO | 289,4 | 1.2 | Mejor ajuste | 0,9 | 5,3 | ||
Tabla 1: Caracterización química - XPS. Esta tabla muestra los parámetros de ajuste de pico utilizados para deconvolucionar el espectro de C 1s para los PNB procesados usando el método USO durante 0 h y 12 h de tiempos de tratamiento. También muestra las concentraciones atómicas resultantes de cada especie [ 14] . Gr 1, Gr 2, etc. representan los diversos picos de grafito utilizados en el ajuste.
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Disclosures
Los autores no tienen nada que revelar.
Acknowledgments
El componente no salarial de la obra fue financiado por el Commonwealth de Australia. El autor de la Universidad de Delaware agradece el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias de EE.UU. (Grant # 1254540, Dra. Mary Toney, Directora de Programa). Los autores agradecen al Sr. Mark Fitzgerald por su ayuda con las mediciones de deposición electroforética.
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/ |
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