Funktionalisering og dispersion af carbon nanomaterialer ved anvendelse af en miljøvenlig ultralydet ozonolyseproces
Summary
Her beskrives en ny metode til funktionalisering og stabil dispersion af carbon nanomaterialer i vandige omgivelser. Ozon injiceres direkte i en vandig dispersion af carbon nanomateriale, der kontinuerligt recirkuleres gennem en ultralydcelle med høj effekt.
Abstract
Funktionalisering af carbon nanomaterialer er ofte et kritisk trin, der letter deres integration i større materielle systemer og enheder. I den modtagne form kan carbon nanomaterialer, såsom carbon nanorør (CNT) eller grafen nanoplateletter (BNP), indeholde store agglomerater. Begge agglomerater og urenheder vil reducere fordelene ved de unikke elektriske og mekaniske egenskaber, der tilbydes, når CNT'er eller BNI'er indgår i polymerer eller kompositmaterialesystemer. Mens der findes forskellige metoder til at funktionalisere carbon nanomaterialer og for at skabe stabile dispersioner, bruger mange processer hårde kemikalier, organiske opløsningsmidler eller overfladeaktive stoffer, der er miljøvenlige og kan øge forarbejdningsproblemerne, når nanomaterialerne isoleres til senere brug. Den nuværende forskning detaljerer anvendelsen af en alternativ, miljøvenlig teknik til funktionalisering af CNT'er og BNP'er. Det frembringer stabile vandige dispersioner fri for skadeUl kemikalier. Både CNT og BNP kan tilsættes til vand i koncentrationer på op til 5 g / L og kan recirkuleres gennem en ultralydcelle med høj effekt. Den samtidige injektion af ozon i cellen oxiderer progressivt carbon nanomaterialerne, og den kombinerede ultralydning nedbryder agglomerater og udsætter straks frisk materiale til funktionalisering. De fremstillede dispersioner er ideelt egnet til aflejring af tynde film på faste substrater under anvendelse af elektroforetisk aflejring (EPD). CNT'er og BNP'er fra de vandige dispersioner kan let anvendes til at belægge carbon- og glasforstærkende fibre ved anvendelse af EPD til fremstilling af hierarkiske kompositmaterialer.
Introduction
Anvendelsen af carbon nanomaterialer til ændring af polymere og sammensatte systemer har haft en intensiv forskningsinteresse i løbet af de sidste 20 år. Seneste anmeldelser om både anvendelsen af carbon nanorør 1 (CNT) og grafen nanoplatelets 2 (BNP) giver en indikation af forskningsforskningen. Den høje specifikke stivhed og styrke af CNT'er og BNP'er samt deres høje elektriske ledningsevne gør materialerne ideelt egnet til integration i polymersystemer for at forbedre både den mekaniske og elektriske ydeevne af de nanokompositmaterialer. CNT'er og BNI'er er også blevet brugt til udvikling af hierarkiske kompositstrukturer ved at anvende carbon nanomaterialerne til at modificere både fibergrænsefladens adhæsion og matrixstivhed 3 , 4 .
Den homogene dispersion af carbon nanomaterialer i polymersystemer kræver ofteForarbejdningstrin, som kemisk ændrer nanomaterialerne for at forbedre den kemiske kompatibilitet med polymermatrixen, fjerne urenheder og reducere eller fjerne agglomerater fra de modtagne materialer. En række forskellige metoder til kemisk modifikation af carbon nanomaterialer er tilgængelige og kan omfatte våd kemisk oxidation ved anvendelse af stærke syrer 5 , 6 , modifikation med overfladeaktive stoffer 7 , elektrokemisk interkalering og exfoliering 8 eller behandling af tør kemikalier ved anvendelse af plasmabaserede processer 9 .
Brugen af stærke syrer i oxidationstrinnet af CNT'er indfører iltfunktionelle grupper og fjerner urenheder. Det har imidlertid ulempen ved at reducere CNT-længden signifikant, indføre skade på CNT ydre vægge og ved anvendelse af farlige kemikalier, som skal isoleres fra det behandlede materiale til yderligere behandling 10 </ Sup>. Anvendelsen af overfladeaktive stoffer kombineret med ultralydbehandling giver en mindre aggressiv metode til fremstilling af stabile dispersioner, men det overfladeaktive middel er ofte vanskeligt at fjerne fra det behandlede materiale og kan ikke være kompatibelt med polymeren, der anvendes til fremstilling af de nanokompositmaterialer 1 , 11 . Styrken af den kemiske interaktion mellem det overfladeaktive molekyle og CNT eller BNP kan også være utilstrækkeligt til mekaniske anvendelser. Tørre plasmabehandlingsprocesser, der udføres under atmosfæriske betingelser, kan være egnede til funktionalisering af arrayer af CNT'er, der er til stede på fiber eller plane overflader, der anvendes til fremstilling af hierarkiske kompositter 9 . Det atmosfæriske plasma er imidlertid vanskeligere at anvende på tørre pulvere og løser ikke problemerne med agglomerater, der er til stede i som fremstillede råcarbonnanomaterialer.
I det nuværende arbejde introducerer vi en detaljeret beskrivelse af ultralydetIcated-ozonolysis (USO) metode, som vi tidligere har anvendt til carbon nanomaterialer 12 , 13 , 14 . USO-processen anvendes til fremstilling af stabile vandige dispersioner, der er egnede til elektroforetisk afsætning (EPD) af både CNT'er og BNP'er på carbon- og glasfibre. Eksempler på EPD ved anvendelse af USO-funktionaliserede CNT'er til at deponere tynde ensartede film på rustfrit stål og carbonstofsubstrater vil blive tilvejebragt. Metoder og typiske resultater, der bruges til kemisk karakterisering af de funktionaliserede CNT'er og BNP'er, vil også blive tilvejebragt under anvendelse af både røntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) og Raman-spektroskopi. En kort diskussion af karakteriseringsresultaterne i sammenligning med andre funktionaliseringsteknikker vil blive tilvejebragt.
Arbejdsmiljøbeskyttelse
Virkningerne af eksponering for nanopartikler, såsom CNT'er, for menneskers sundhed forstås ikke godt. DetDet anbefales, at der træffes særlige foranstaltninger for at minimere eksponeringen og undgå miljøforurening med CNT-pulvere. Foreslåede fareisoleringsforanstaltninger omfatter arbejde inden for et HEPA-filterudstyret røgskab og / eller handskerum. Arbejdsmiljøforanstaltninger omfatter beskyttelse af beskyttelses tøj og to lag af handsker og regelmæssig rengøring af overflader ved brug af fugtige papirhåndklæder eller en støvsuger med et HEPA filter til fjernelse af flydende CNT pulvere. Forurenede genstande bør pakkes til bortskaffelse af farligt affald.
Eksponering for ozon kan irritere øjne, lunger og åndedrætsorganer, og i højere koncentrationer kan forårsage lungeskader. Det anbefales, at der træffes foranstaltninger for at minimere personlig og miljømæssig eksponering for dannet ozon gas. Isoleringsforanstaltninger omfatter arbejde indenfor et røgskab. Da returluftstrømmen vil indeholde ubrugt ozon, skal det føres gennem en ozon destruktionsenhed, inden den slippes ud i atmosfærensfære. Dispersioner, der har haft ozon boblet gennem dem, vil indeholde noget opløst ozon. Efter ozonolyse-operationer skal dispersionerne sættes i 1 time, inden der foretages yderligere forarbejdning, så ozonet kan gennemgå en naturlig nedbrydning.
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
Arbejdsløshedskomponenten blev finansieret af Australiens Commonwealth. Forfatteren fra Delaware Universitet anerkender taknemmeligt støtten fra US National Science Foundation (Grant # 1254540, Dr. Mary Toney, Program Director). Forfatterne takker Mr. Mark Fitzgerald for hans hjælp med de elektroforetiske aflejringsmålinger.
Materials
| 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).
