Funcionalización y Dispersión de Nanomateriales de Carbono Utilizando un Proceso de Ozonolisis Ultrasonido
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.
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
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
| 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
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