Artykuł metodologiczny

Funkcjonalizacja i dyspersja nanomateriałów węglowych z wykorzystaniem przyjaznego dla środowiska procesu ozonolizy ultradźwiękowej

DOI:

10.3791/55614

⸱

30 maja 2017

 ,  ,  ,  , 
1Aerospace Division, Defence Science and Technology Group, 2Maritime Division, Defence Science and Technology Group, 3Department of Chemistry and Physics, La Trobe Institute for Molecular Science, La Trobe University, 4Department of Mechanical Engineering, University of Delaware, 5Department of Materials Science and Engineering, University of Delaware, 6Center for Composite Materials, University of Delaware

W tym artykule

Podsumowanie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Tutaj opisana jest nowatorska metoda funkcjonalizacji i stabilnej dyspersji nanomateriałów węglowych w środowisku wodnym. Ozon jest wstrzykiwany bezpośrednio do wodnej dyspersji nanomateriału węglowego, który jest stale recyrkulowany przez ogniwo ultradźwiękowe o dużej mocy.

Streszczenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Funkcjonalizacja nanomateriałów węglowych jest często krytycznym krokiem, który ułatwia ich integrację z większymi systemami i urządzeniami materiałowymi. W postaci otrzymanej nanomateriały węglowe, takie jak nanorurki węglowe (CNT) lub nanopłytki grafenu (GNP), mogą zawierać duże aglomeraty. Zarówno aglomeraty, jak i zanieczyszczenia zmniejszają korzyści płynące z unikalnych właściwości elektrycznych i mechanicznych oferowanych podczas wprowadzania CNT lub GNP do polimerów lub systemów materiałów kompozytowych. Chociaż istnieje wiele metod funkcjonalizacji nanomateriałów węglowych i tworzenia stabilnych dyspersji, wiele procesów wykorzystuje agresywne chemikalia, rozpuszczalniki organiczne lub środki powierzchniowo czynne, które są nieprzyjazne dla środowiska i mogą zwiększyć obciążenie związane z przetwarzaniem podczas izolowania nanomateriałów do późniejszego wykorzystania. Obecne badania szczegółowo opisują zastosowanie alternatywnej, przyjaznej dla środowiska techniki funkcjonalizacji CNT i GNP. Wytwarza stabilne, wodne dyspersje wolne od szkodliwych substancji chemicznych. Zarówno CNT, jak i GNP mogą być dodawane do wody w stężeniach do 5 g/L i mogą być recyrkulowane przez ogniwo ultradźwiękowe o dużej mocy. Jednoczesne wstrzyknięcie ozonu do komórki stopniowo utlenia nanomateriały węglowe, a połączone ultradźwięki rozbijają aglomeraty i natychmiast odsłaniają świeży materiał do funkcjonalizacji. Przygotowane dyspersje idealnie nadają się do osadzania cienkich warstw na podłożach stałych metodą osadzania elektroforetycznego (EPD). CNT i GNP z dyspersji wodnych mogą być łatwo stosowane do powlekania włókien wzmacniających węgiel i szkło za pomocą EPD do przygotowania hierarchicznych materiałów kompozytowych.

Wprowadzenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Wykorzystanie nanomateriałów węglowych do modyfikacji systemów polimerowych i kompozytowych było przedmiotem intensywnego zainteresowania badawczego w ciągu ostatnich 20 lat. Ostatnie przeglądy dotyczące wykorzystania nanorurek węglowych1 (CNTs), jak i nanopłytek grafenu2 (GNPs) wskazują na zakres badań. Wysoka sztywność właściwa i wytrzymałość nanorurek węglowych i GNP, a także ich wysoka wewnętrzna przewodność elektryczna sprawiają, że materiały te idealnie nadają się do włączenia do systemów polimerowych w celu poprawy zarówno parametrów mechanicznych, jak i elektrycznych materiałów nanokompozytowych. CNT i GNP zostały również wykorzystane do opracowania hierarchicznych struktur kompozytowych poprzez wykorzystanie nanomateriałów węglowych do modyfikacji zarówno adhezji międzyfazowej włókien, jak i sztywności matrycy3,4.

Jednorodne rozproszenie nanomateriałów węglowych w systemach polimerowych często wymaga etapów przetwarzania, które chemicznie zmieniają nanomateriały, aby poprawić chemiczną kompatybilność z matrycą polimerową, usunąć zanieczyszczenia i zredukować lub usunąć aglomeraty z otrzymanych materiałów. Dostępnych jest wiele metod chemicznej modyfikacji nanomateriałów węglowych, które mogą obejmować utlenianie chemiczne na mokro przy użyciu mocnych kwasów5,6, modyfikację środkami powierzchniowo czynnymi7, interkalację elektrochemiczną i eksfoliację8, lub suche przetwarzanie chemiczne przy użyciu procesów plazmowych9.

Użycie mocnych kwasów w etapie utleniania CNT wprowadza tlenowe grupy funkcyjne i usuwa zanieczyszczenia. Ma to jednak tę wadę, że znacznie skraca długość CNT, co powoduje uszkodzenia zewnętrznych ścianek CNT i stosowanie niebezpiecznych substancji chemicznych, które muszą być odizolowane od obrabianego materiału w celu dalszego przetwarzania10. Stosowanie środków powierzchniowo czynnych w połączeniu z ultradźwiękami oferuje mniej agresywną metodę przygotowania stabilnych dyspersji, ale środek powierzchniowo czynny jest często trudny do usunięcia z obrabianego materiału i może nie być kompatybilny z polimerem używanym do przygotowania materiałów nanokompozytowych1,11. Siła oddziaływania chemicznego między cząsteczką środka powierzchniowo czynnego a CNT lub GNP może być również niewystarczająca do zastosowań mechanicznych. Procesy obróbki suchą plazmą prowadzone w warunkach atmosferycznych mogą być odpowiednie do funkcjonalizacji macierzy CNT, obecnych na powierzchniach włóknistych lub płaskich, wykorzystywanych do otrzymywania kompozytów hierarchicznych9. Jednak plazma atmosferyczna jest trudniejsza do zastosowania do suchych proszków i nie rozwiązuje problemów związanych z aglomeratami obecnymi w surowych nanomateriałach węglowych w stanie wyprodukowanym.

W niniejszej pracy przedstawiamy szczegółowy opis metody ultradźwiękowo-ozonolitycznej (USO), którą wcześniej stosowaliśmy do nanomateriałów węglowych12,13,14. Proces USO służy do przygotowania stabilnych, wodnych dyspersji, które nadają się do elektroforetycznego osadzania (EPD) zarówno CNT, jak i GNP na włóknach węglowych i szklanych. Przedstawione zostaną przykłady EPD wykorzystujących CNT funkcjonalizowane USO do osadzania cienkich, jednolitych warstw na podłożach ze stali nierdzewnej i tkanin węglowych. Przedstawione zostaną również metody i typowe wyniki stosowane do chemicznej charakterystyki funkcjonalizowanych CNT i GNP, przy użyciu zarówno rentgenowskiej spektroskopii fotoelektronów (XPS), jak i spektroskopii Ramana. Przedstawione zostanie krótkie omówienie wyników charakterystyki w porównaniu z innymi technikami funkcjonalizacji.

Informacja o bezpieczeństwie i higienie pracy

Wpływ ekspozycji na nanocząstki, takie jak CNT, na zdrowie ludzi nie jest dobrze poznany. Zaleca się podjęcie specjalnych środków w celu zminimalizowania narażenia i uniknięcia zanieczyszczenia środowiska proszkami CNT. Sugerowane środki izolacji zagrożeń obejmują pracę w dygestorium wyposażonym w filtr HEPA i/lub komorze rękawicowej. Środki higieny pracy obejmują noszenie odzieży ochronnej i dwóch warstw rękawic oraz regularne czyszczenie powierzchni za pomocą wilgotnych ręczników papierowych lub odkurzacza z filtrem HEPA w celu usunięcia zabłąkanych proszków CNT. Zanieczyszczone artykuły należy pakować w worki w celu usunięcia odpadów niebezpiecznych.

Narażenie na ozon może podrażniać oczy, płuca i układ oddechowy, a przy wyższych stężeniach może spowodować uszkodzenie płuc. Zaleca się podjęcie środków w celu zminimalizowania narażenia osobistego i środowiskowego na wytwarzany ozon. Środki izolacji obejmują pracę w dygestorium. Ponieważ strumień powietrza powrotnego będzie zawierał niewykorzystany ozon, przed uwolnieniem do atmosfery powinien on zostać przepuszczony przez jednostkę do niszczenia ozonu. Dyspersje, przez które przebił się ozon, będą zawierały pewną ilość rozpuszczonego ozonu. Po operacjach ozonolizy należy pozostawić dyspersje na 1 godzinę przed przystąpieniem do dalszego przetwarzania, aby ozon mógł ulec naturalnemu rozkładowi.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Funkcjonalizacja CNT i GNP za pomocą ultradźwiękowej ozonolizy

  1. Zważyć nanomateriały w schowku na rękawiczki w szafie na wyciągi wyposażone w filtr HEPA. Odważyć żądaną ilość nanomateriałów w zlewce. Przełóż do butelki i dodaj ultraczystą wodę, aby uzyskać stężenie 1 g/l.
  2. Zamknij butelkę pokrywką. Ultradźwiękowe w standardowej łaźni ultradźwiękowej (patrz Lista materiałów; częstotliwość: ~43 ±2 kHz; moc: 60 W) w celu rozproszenia CNT lub GNPs.
    UWAGA: UWAGA. Zapoznaj się z Informacją dotyczącą bezpieczeństwa i higieny pracy powyżej.
  3. Ostrożnie wlać zawiesinę nanomateriału do kolby reaktora zawierającej mieszadło magnetyczne. Zamocować pokrywę kolby reaktora z wystarczającą liczbą portów dla wlotów i wylotów ozonu i klaksonów ultradźwiękowych. Umieść go na płytce mieszającej i włącz mieszadło magnetyczne, regulując pokrętło, aby zapobiec wysiadaniu CNT z zawiesiny.
  4. Zamontuj klakson ultradźwiękowy w komórce ultradźwiękowej i sprawdź, czy końcówka klaksonu jest w dobrym stanie. Zobacz rysunek 1.

figure-protocol-1
Rysunek 1: System ozonolizy ultradźwiękowej. Ten schemat ideowy ilustruje, jak połączyć różne elementy systemu ozonolizy ultradźwiękowej. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

  1. Użyj silikonowej rurki do połączenia reaktora, ogniwa ultradźwiękowego i pompy perystaltycznej. Patrz rysunek 1.
  2. Włóż bełkotkę ozonu do reaktora i podłącz ją do generatora ozonu.
    UWAGA: UWAGA. Zapoznaj się z Informacją dotyczącą bezpieczeństwa i higieny pracy powyżej.
  3. Podłączyć chłodnicę cieczy recyrkulacyjnej do wężownicy chłodzącej (w celu schłodzenia reaktora) i do ultradźwiękowego płaszcza chłodzącego ogniwo. Przestaw przełącznik, aby włączyć recyrkulacyjną jednostkę chłodzenia cieczą w celu schłodzenia reaktora ozonowego i ogniwa ultradźwiękowego. Upewnij się, że ciecz chłodząca przepływa zarówno przez ogniwo ultradźwiękowe, jak i kąpiel chłodzącą reaktora.
    1. Użyj termopary podłączonej do ultradźwiękowej jednostki sterującej klaksonem, aby zmierzyć temperaturę reaktora. Poczekaj, aż system ostygnie do 5 °C.
  4. Umieścić kolbę reaktora z nanorurkami węglowymi na miejscu. Umieścić dyfuzor ozonu na dnie kolby reaktora tak, aby była całkowicie zanurzona. Upewnij się, że rurka wylotowa do celi ultradźwiękowej jest zanurzona co najmniej 25 mm poniżej powierzchni dyspersji.
    1. Podłączyć rurkę wylotową z reaktora do jednostki niszczenia ozonu za pomocą tej samej silikonowej rurki, co w operacji pompowania perystaltycznego. Użycie bełkotki wodnej po stronie wylotowej urządzenia do niszczenia ozonu jest opcjonalne, ale pomaga wychwycić resztki ozonu i wskazuje, że generator ozonu jest podłączony i działa prawidłowo.
  5. Włącz dopływ tlenu do generatora ozonu i wyreguluj zawór, aby uzyskać natężenie przepływu 0,5 l/min przez generator ozonu.
  6. Włącz generator ozonu, przestawiając przełącznik. Pozwól mu pracować przez 30-60 minut przed rozpoczęciem pompowania lub procesu ultradźwiękowego.
  7. Włącz pompę perystaltyczną, ustaw ją na 0,67 Hz, przekręcając pokrętło pompy na ustawienie około 5 lub 6 i upewnij się, że dyspersja CNT przepływa równomiernie przez ogniwo.
    1. Włącz klakson ultradźwiękowy i ustaw moc na 60 W, wprowadzając tę wartość do modułu sterującego w menu obsługi ręcznej.
    2. Przy pierwszym uruchomieniu powoli zwiększaj ustawienie amplitudy, aby osiągnąć pożądaną moc wyjściową 60 W.
      UWAGA: Klakson ultradźwiękowy działa z częstotliwością 20 kHz. Ustawienie amplitudy i ustawienie mocy mają zwykle podobne wartości, ale przy pierwszym uruchomieniu może być konieczne powolne zwiększanie ustawienia amplitudy, aby osiągnąć pożądaną moc wyjściową 60 W.
  8. Obserwuj proces sonikacji przez co najmniej 30 minut, aby zapewnić stabilne pompowanie i działanie klaksonu ultradźwiękowego.
  9. Monitoruj elastyczny przewód w bezpośrednim kontakcie z mechanizmem pompy perystaltycznej pod kątem zużycia. Reguluj położenie rurki co najmniej co 2 godziny, aby upewnić się, że rurka zachowuje integralność. Wymieniaj rurki dla każdego oddzielnego cyklu przetwarzania nanomateriału węglowego.
  10. Po upływie żądanego czasu przetwarzania USO, naciśnij przełączniki, aby wyłączyć generator ozonu, sonikator i pompę. Kontynuuj mieszanie, aż dyspersja nanomateriału węglowego będzie gotowa do przeniesienia do szczelnie zamkniętego pojemnika w celu późniejszego wykorzystania w osadzaniu elektroforetycznym.
    1. Odczekać około 1 godziny przed przeniesieniem dyspersji, aby ozon w roztworze mógł się rozłożyć.
  11. Jeśli elektroforeza nie zostanie wykonana w ciągu 24 godzin od przetworzenia USO, należy ponownie poddać sonikacji dyspersji nanomateriału, aby zminimalizować liczbę cząstek osiadających na zewnątrz dyspersji. Włóż klakson soniczny do butelki z dyspersją nanomateriału węglowego i poddaj sonifikacji (jak wyżej) przez 30 minut przed użyciem.

2. Elektroforeza

  1. Przygotuj trzy elektrody ze stali nierdzewnej o wymiarach 60 mm (dł.) x 25 mm (szer.) z blachy o grubości 0,2 mm.
    1. Przeszlifuj elektrody za pomocą papieru ściernego z tlenku glinu P1000 z ultraczystą wodą jako smarem. Po ścieraniu umieść elektrody w kąpieli do czyszczenia ultradźwiękowego i czyść je przez 10 minut w ultraczystej wodzie.
  2. Umieścić elektrodę, która ma być używana do osadzania anodowego, w czystym piecu w temperaturze 100 °C i suszyć przez 10 minut. Przenieść elektrodę do eksykatora i pozostawić do ostygnięcia. Zważyć elektrodę na czterocyfrowej wadze analitycznej.
  3. Zapisz masę elektrody z dokładnością do czterech miejsc po przecinku jako masę bez powłoki w gramach. Wysuszyć pozostałe dwie elektrody i przechowywać je w eksykatorze w celu użycia jako katody do osadzania.
  4. Używając odpowiedniego układu zaciskowego (patrz rysunek 2), takiego jak małe imadło i 10-milimetrowe nieprzewodzące przekładki z tworzywa sztucznego, zmontuj elektrody, przy czym elektrody zewnętrzne powinny być używane jako katody, a elektroda wewnętrzna jako anoda.

figure-protocol-2
Rysunek 2: Elektroforetyczne ogniwo osadzające. Powyższy schemat ideowy ilustruje konfigurację ogniwa do osadzania elektroforetycznego. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

  1. Przenieść 35 ml dyspersji nanomateriału węglowego do zlewki o pojemności 50 ml.
  2. Umieść uchwyt elektrody ze stali nierdzewnej na stojaku retortowym i powoli opuść elektrody na pełną głębokość zlewki. Podłącz dodatni zacisk zasilacza prądu stałego do centralnej anody ze stali nierdzewnej. Podłącz ujemny zacisk zasilacza prądu stałego do katody zewnętrznej. Połącz dwie zewnętrzne katody za pomocą przewodu z zaciskami krokodylkowymi.
  3. Jeśli wymagane są dokładne pomiary prądu, podłącz szeregowo multimetr z zasilaczem i elektrodami, aby umożliwić monitorowanie podczas osadzania.
  4. Ręcznie ustaw prąd w zasilaczu prądu stałego na maksymalny prąd (nominalnie 2 A), a następnie napięcie do wymaganej wartości dla badań, upewniając się, że wyjście zasilania jest wyłączone. Przygotuj stoper i włącz zasilanie na wymagany czas powlekania.
  5. W przypadku typowego eksperymentu z powlekaniem należy dostosować napięcie do 10 V, przy czym czas powlekania powinien wynosić od 1 do 15 minut. Wyłącz zasilanie prądem stałym, a następnie powoli podnieś elektrody z dyspersji, upewniając się, że folia nie jest zakłócona.
  6. Odłącz zaciski od elektrod i powoli odwróć elektrody do orientacji poziomej, aby folia na anodzie mogła równomiernie wyschnąć. Po odparowaniu wilgoci z folii w temperaturze pokojowej należy zdemontować uchwyt elektrody i umieścić anodę w piecu w temperaturze 100 °C do wyschnięcia na 1 godzinę.
    1. Zaciśnij i zawieś anodę w piekarniku, aby upewnić się, że folia nie styka się bezpośrednio z żadnymi powierzchniami.
  7. Umieść pokrytą folią anodę w eksykatorze i pozwól jej ostygnąć, a następnie zważ ją na czterocyfrowej wadze analitycznej. Zapisz wagę z dokładnością do czterech miejsc po przecinku. Odejmij masę niepowlekanej anody, aby określić masę osadzonej folii.
  8. Sfotografuj pokrytą anodę. Użyj odpowiedniego pakietu do przetwarzania obrazu, aby dokładnie zmierzyć obszar osadzonej folii. Użyj masy i powierzchni, aby zapisać gęstość powierzchniową filmu w mg/cm2.
  9. Powtórzyć etapy powlekania i ważenia dla każdego czasu osadzania wymaganego do określenia szybkości osadzania się nanomateriału węglowego na stali nierdzewnej dla określonych natężeń stosowanego pola.

3. Charakterystyka chemiczna – rentgenowska spektroskopia fotoelektronów (XPS)15

  1. Aby przygotować próbki do analizy XPS, należy odlewać kroplowo wodne dyspersje CNT z oryginalnej dyspersji 1 g/l.
    1. Za pomocą pipety nanieś kroplę dyspersji na krążek ze stali nierdzewnej i pozostaw do wyschnięcia w temperaturze pokojowej. Powtarzaj proces, aż na dysku pojawi się równomiernie gruba powłoka CNT o grubości około 2 μm. Zamontuj dysk ze stali nierdzewnej na klockach próbek za pomocą dwustronnej taśmy przewodzącej.
  2. Włóż próbki do komory wejściowej próbki i odpompuj do próżni 5 x 10-7 Torr przed przeniesieniem jej do głównej komory analitycznej. Poczekaj, aż ciśnienie w komorze głównej osiągnie 5 x 10-9 Torr przed ustawieniem próbki i przystąpieniem do analizy.
  3. Aby śledzić typowe warunki pracy dla pomiarów XPS, należy użyć monochromatycznego źródła promieniowania rentgenowskiego Al Kα,1 o mocy 150 W w celu oświetlenia obszaru o wymiarach 700 μm x 300 μm. Wykryj fotoelektrony pod kątem startu 90° w stosunku do powierzchni próbki.
    1. Skalibruj skalę energii spektrometru za pomocą piku fotoelektronu Au 4f7/2 przy energii wiązania 83,98 eV.
      UWAGA: Skala energii jest regulowana w oprogramowaniu sterującym przyrządu podczas pierwszego uruchomienia przyrządu. Jest on regularnie sprawdzany po wszelkich czynnościach konserwacyjnych przez spektroskopistę odpowiedzialnego za sprzęt i nie powinien być zmieniany przez użytkowników.
  4. Monitoruj początkowy ładunek próbki, umieszczając okno 30 eV w regionie C 1s. Wykonaj kompensację ładunku, systematycznie dostosowując parametry pistoletu do powodzi elektronów, aby ustawić pik C 1s na poziomie 284,6 eV i zminimalizować szerokość piku przy połowie maksymalnej intensywności piku (FWHM).
  5. Przeprowadzanie skanów pomiarowych przy energii przejścia 160 eV i krokach co 0,5 eV, z czasem przebywania 0,1 s, w trybie transmisji analizatora stacjonarnego w celu identyfikacji gatunków pierwiastków powierzchniowych. Uzyskaj widma regionów przy energii przejścia 20 eV, używając kroków co 0,05 eV i 0,2 s pobytu. Użyj od 4 do 8 przeciągnięć, aby poprawić stosunek sygnału do szumu.
    1. Aby określić ilościowo widma, użyj dopasowania tła Shirley i współczynników czułości z odpowiedniej biblioteki elementarnej16.
  6. Deconvolve C 1s wysokorozdzielcze rentgenowskie widma fotoelektronów w celu określenia różnych form węgla i tlenu obecnych w USO treatment time15.
    1. Aby dokładnie zdekonwoluować pik C 1s, wykonaj wstępne dopasowanie piku do kształtu węgla grafitowego, aby upewnić się, że kształt piku spowodowany wiązaniem sp2 i wkładem niskoenergetycznych satelitów wstrząsających typu π zostanie zachowany17. W przypadku dopasowania wszystkich pików ogranicz energie wiązania składnika i FWHM odpowiednio o ±0,1 eV i ±0,2 eV, a następnie użyj stosunku Gaussa/Lorentza wynoszącego 30.
    2. Dopasuj grafitowy kształt daszka za pomocą sześciu oddzielnych szczytów. Utrzymuj w stałych proporcjach obszary każdego piku względem głównego piku grafitu przy 284,6 eV, aby zachować spójny kształt dzięki składnikowi grafitowemu w przetworzonym nanomateriale15,9,14.

4. Charakterystyka strukturalna – spektroskopia Ramana18

  1. Przygotować nanomateriały do charakterystyki spektroskopowej Ramana poprzez rozcieńczenie pierwotnej dyspersji wodą dejonizowaną w celu uzyskania stężenia 0,1 g/l. Odpipetować 0,05 ml dyspersji na odpowiednie podłoże z polerowanego złota. Pozwól, aby kropla odparowała w temperaturze pokojowej, aby wytworzyć cienką warstwę węglową, na której należy skupić plamkę lasera Ramana.
    UWAGA: Rozmiar złotego podłoża jest przypadkowy w stosunku do wyniku, gdy używane jest duże podłoże, wiele próbek można zdeponować na jednym szkiełku.
  2. Wykonaj pomiary ramanowskie za pomocą soczewki obiektywowej o powiększeniu 50x przy użyciu dyspersyjnego mikroskopu konfokalnego i lasera 532 nm. Uzyskaj widma od 3,500 do 50 cm-1 w rozdzielczości 2 cm-1. Należy użyć otworu otworkowego 50 μm o energii lasera od 1 do 10 mW, wykorzystując maksymalną możliwą energię, tak aby podczas pobierania próbki nie doszło do degradacji.
    1. Zbierz widma, gromadząc od 10 do 50 skanów i używając czasu ekspozycji od 2 do 5 s dla każdego pojedynczego skanu, aby uzyskać rozsądny stosunek sygnału do szumu.

5. Morfologia filmu – skaningowa mikroskopia elektronowa (SEM)

  1. W przypadku analizy SEM funkcjonalizowanych i niefunkcjonalizowanych CNT/GNP należy rozcieńczyć kroplę każdej dyspersji do 0,1 g/l przy użyciu wody dejonizowanej. Umieść go na aluminiowym króćcu SEM i pozostaw do wyschnięcia na powietrzu przez noc.
  2. W przypadku folii EPD osadzonych na elektrodach ze stali nierdzewnej należy pociąć elektrody na kwadraty o wymiarach 1 cm x 1 cm i zamontować je na króćcach próbek za pomocą dwustronnej taśmy przewodzącej. Pomaluj małą linię srebrnego dag (tj. przewodzącego kleju/farby) od króćca próbki na górną powierzchnię próbki, aby poprawić ścieżkę przewodzącą. Suszyć próbkę pod lampą grzejną przez co najmniej 15 minut.
  3. Umieść zamontowaną próbkę w powlekarce napylającej i nałóż na nią przewodzącą powłokę irydową o grubości około 1,3-1,5 nm19.
    1. Na jednostce pomiaru grubości ustaw gęstość materiału na odpowiedni poziom, który wynosi 22,56 g/cm3 dla irydu. Dostosuj ustawienie docelowej grubości na 1,0 nm, aby uzyskać grubość około 1,3-1,5 nm z uwzględnieniem dryfu termicznego podczas procesu powlekania.
    2. Ustaw zespół powlekania tak, aby umożliwić sterowanie pracą powlekarki przez jednostkę pomiaru grubości. Wybierz żądaną moc wyjściową, która powinna wynosić 80 mA dla powłoki o wysokiej rozdzielczości19.
    3. Wyzeruj miernik grubości powłoki na jednostce sterującej grubością i naciśnij przycisk "Cykl", aby rozpocząć automatyczne opróżnianie komory, upust/płukanie argonu i sekwencję powlekania. Gdy moc osiągnie pożądany poziom, odsuń tarczę docelową, aby umożliwić rozpoczęcie powlekania. Obracaj i przechylaj stolik podczas powlekania, aby ułatwić równomierne powlekanie ze wszystkich stron.
  4. Zbadaj nanomateriały za pomocą SEM z emisją polową z detektorem w soczewce. Stosować odległość roboczą około 3 mm i napięcie przyspieszające 3,0 kV.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Rysunek 3 pokazuje charakterystykę szerokiego skanowania XPS CNT, które zostały poddane obróbce USO. CNT, które nie zostały poddane USO, prawie nie wykazują zawartości tlenu. Wraz ze wzrostem czasu USO wzrasta powierzchniowy poziom tlenu. Rysunek 4 przedstawia wzrost stosunku tlenu do węgla w funkcji czasu USO. Tabela 1 przedstawia zdekonwolucyjne stężenia atomowe PNB poddanego działaniu obowiązku świadczenia usługi powszechnej. Dopasowan...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Podczas pracy z nanocząstkami o dużej twardości, takimi jak CNT, nie należy zapominać o potencjalnym wpływie erozji na pojemniki i rurki. Krok 1.14 w protokole został wstawiony po tym, jak rurka zużyła się na zgięciu z powodu uderzenia CNT w boczną ściankę rury, powodując nieszczelność systemu.

Należy również pamiętać, że CNT są w zawiesinie, a nie w roztworze, i że należy je mieszać przed każdym użyciem, jeśli pożądana jest jednorodna zawiesina. Na przykład byłoby to konieczne do utrzymania p...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Pozapłacowy składnik pracy został sfinansowany przez Związek Australijski. Autorka z University of Delaware z wdzięcznością dziękuje za wsparcie amerykańskiej Narodowej Fundacji Nauki (Grant #1254540, dr Mary Toney, Dyrektor Programowy). Autorzy dziękują panu Markowi Fitzgeraldowi za pomoc w pomiarach osadzania elektroforetycznego.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Kąpiel ultradźwiękowaSoniclean80TD
Klakson ultradźwiękowyMisonixS-4000-010 z konwerterem CL5Daintree Scientific
Flocell z płaszczem wodnym ze stali nierdzewnejMisonix800BWJDaintree Scientific
Pompa perystaltycznaMasterflex easy-load7518-00
Sterownik do pompy perystaltycznejMasterflex sterownik modułowy7553-78
Generator ozonuOzone SolutionsTG-20
Jednostka niszcząca ozonOzone SolutionsODS-1
Recyrkulacyjna chłodnica cieczyThermolineTRC2-571-T
Zasilacz wielomodowyTTiEX752M
Multimetr obliczeniowy wysokiej rozdzielczościTTi1906
Rentgenowska spektroskopia fotoelektronówOś analityczna Kratos Oprogramowanieanalityczne Nova
XPSOprogramowanie Casa BibliotekaCasa XPSwww.casaxps.com
Kratos do użytku z oprogramowaniem Casa XPSCasaPobierz pliki powiązane z Kratoshttp://www.casaxps.com/kratos/
Ramanowski dyspersyjny mikroskop konfokalnyThermoDXR
Skaningowy mikroskop elektronowy z emisją polowąLeo1530 VP
Napylarka z tarczą irydowąCressington208 HR
Jednostka pomiaru grubościCressingtonmtm 20
Mieszadło magnetyczneStuartCD162
Waga analitycznaKernALS 220-4N
Mettler ToledoNewClassic MF MS 2045
Waga laboratoryjnaShimadzuELB 3000
Elektrody z blachy ze stali nierdzewnej 316RS Components559-199
Arkusze ścierne, klasa P1000NortonNo-Fil A275
Wielościenne nanorurki węgloweHanwhaCM-95http://hcc.hanwha.co.kr/eng/business/bus_table/nano_02.jsp
Nanopłytki grafenuXG SciencesXGNP Grade Chttp://xgsciences.com/products/graphene-nanoplatelets/grade-c/
elementarna

Bibliografia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Pandey, G., Thostenson, E. T. Carbon Nanotube-Based Multifunctional Polymer Nanocomposites. Polym. Rev. 52 (3), 355-416 (2012).
  2. Das, T. K., Prusty, S. Graphene-Based Polymer Composites and Their Applications. Polym.-Plast. Technol. 52 (4), 319-331 (2013).
  3. Karger-Kocsis, J., Mahmood, H., Pegoretti, A. Recent advances in fiber/matrix interphase engineering for polymer composites. Prog. Mater. Sci. 73, 1-43 (2015).
  4. 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).
  5. Hummers, W. S., Offeman, R. E. Preparation of graphitic oxide. J. Am. Chem. Soc. 80, 1339-1339 (1958).
  6. Shaffer, M. S. P., Fan, X., Windle, A. H. Dispersion and Packing of Carbon Nanotubes. Carbon. 36 (11), 1603-1612 (1998).
  7. Hamon, M. A., et al. Dissolution of Single-Walled Carbon Nanotubes. Adv. Mater. 11, 834-840 (1999).
  8. Low, C. T. J., et al. Electrochemical approaches to the production of graphene flakes and their potential applications. Carbon. 54, 1-21 (2013).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. Fairley, N. CasaXPS Manual 2.3.15 Introduction to XPS and AES, Rev. 1.2. , Casa Software Ltd. www.casaxps.com (2009).
  16. Kratos elemental library for use with Casa XPS software. , Available from: http://www.casaxps.com/kratos (2016).
  17. 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).
  18. DXR Raman Instruments: Getting Started. , Thermo Fisher Scientific. 269-215100 Rev. A (2008).
  19. Cressington 208HR High Resolution Sputter Coater for FE-SEM: Operating Manual. , Cressington Scientific Instruments Ltd. Watford, UK. Rev. 5 (2003).
  20. 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).
  21. Hamaker, H. C. Formation of a Deposit by Electrophoresis. T. Faraday Soc. 35, 279-287 (1940).
  22. 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).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Carbon NanomaterialsUltrasonic OzonolysisElectrophoretic DepositionCarbon NanotubesGraphene NanoplateletsAqueous DispersionSurface FunctionalizationScanning Electron MicroscopyX Ray Photoelectron SpectroscopyRaman Spectroscopy

Powiązane artykuły