Summary
הנה, שיטה חדשה עבור functionalization ופיזור יציב של ננו פחמן בסביבות מימיות מתואר. אוזון מוזרק ישירות לתוך פיזור מימית של ננו פחמן כי הוא recirculated ברציפות באמצעות תא קולי גבוהה מופעל.
Abstract
פונקציונליזציה של ננו פחמן הוא לעתים קרובות צעד קריטי המאפשר את האינטגרציה שלהם לתוך מערכות חומר גדול והתקנים. ב-כפי שהתקבל הטופס, ננו פחמן, כגון צינורות פחמן (CNT) או nanoplatelets גרפן (GNPs), עשוי להכיל agglomerates גדול. הן agglomerates ו זיהומים תפחית את היתרונות של תכונות חשמליות מכניות ייחודי המוצע כאשר CNTs או GNPs משולבים פולימרים או מערכות חומר מרוכב. בעוד מגוון של שיטות קיימות פונקציונליזציה של ננו פחמן כדי ליצור dispersions יציב, רבים תהליכים להשתמש בכימיקלים קשים, ממיסים אורגניים, או פעילי שטח, שהם ידידותיים לסביבה ועשויים להגדיל את נטל עיבוד בעת בידוד ננו לשימוש הבא. המחקר הנוכחי מפרט את השימוש בטכניקה חלופית, ידידותית לסביבה עבור פונקציונליות של CNTs ותל"ג. הוא מייצר יציאות יציבים יציבים ללא נזקכימיקלים. שניהם CNTs ו GNPs ניתן להוסיף מים בריכוזים של עד 5 גרם / L והוא יכול להיות recirculated באמצעות תא קולי גבוהה. הזרקת בו זמנית של אוזון לתא בהדרגה oxidizes את ננו פחמן, ואת ultrasonication משולב שובר למטה agglomerates ומיד חושף חומר טרי עבור פונקציונליזציה. Dispersions מוכן הם אידיאליים עבור בתצהיר של סרטים דקים על מצעים מוצקים באמצעות בתצהיר אלקטרופורטי (EPD). CNTs ו GNPs מן dispersions מימית ניתן להשתמש בקלות כדי מעיל פחמן סיבי חיזוק זכוכית באמצעות EPD להכנת חומרים מרוכבים היררכי.
Introduction
השימוש ננו פחמן לשנות מערכות פולימריות מרוכבים ראה עניין מחקר אינטנסיבי על 20 השנים האחרונות. ביקורות אחרונות על השימוש של צינורות פחמן 1 (CNTs) ו nanoplatelets גרפן 2 (GNPs) לספק אינדיקציה של רוחב המחקר. נוקשות ספציפית גבוהה של CNTs ו GNPs, כמו גם מוליכות חשמלית גבוהה שלהם, להפוך את החומרים אידיאלי מתאים שילוב לתוך מערכות פולימריות כדי לשפר הן ביצועים מכניים וחשמליים של חומרים nanocomposite. CNTs ו GNPs יש גם שימשו לפיתוח מבנים מורכבים היררכי באמצעות ננו פחמן כדי לשנות הן הידבקות סיבים interfacial ונוקשות מטריקס 3 , 4 .
פיזור הומוגני של ננו פחמן לתוך מערכות פולימרי לעתים קרובות דורשעיבוד שלבים, אשר מבחינה כימית לשנות את ננו כדי לשפר את תאימות כימית עם מטריצה פולימר, להסיר זיהומים, ולהקטין או להסיר agglomerates מהחומרים כפי שהתקבלו. מגוון של שיטות כדי לשנות כימית ננו פחמן זמינים ויכולים לכלול חמצון כימי רטוב באמצעות חומצות חזקות 5 , 6 , שינוי עם פעילי שטח 7 , intercalation אלקטרוכימיים פילינג 8 , או עיבוד כימי יבש באמצעות תהליכים מבוססי פלזמה 9 .
השימוש בחומצות חזקות בשלב החמצון של CNTs מציג קבוצות תפקוד חמצן ומסיר זיהומים. עם זאת, יש לו את החיסרון של הפחתה משמעותית של אורך CNT, מציגה נזק לקירות החיצוניים CNT ושימוש בכימיקלים מסוכנים, אשר צריך להיות מבודד מן החומר שטופל לעיבוד נוסף 10 </ Sup>. השימוש פעילי שטח בשילוב עם ultrasonication מציע שיטה פחות אגרסיבית כדי להכין dispersions יציבה, אבל פעילי שטח הוא לעתים קרובות קשה להסיר מן החומר שטופל ולא יכול להיות תואם עם הפולימר בשימוש כדי להכין את החומרים nanocomposite 1 , 11 . חוזק האינטראקציה הכימית בין המולקולה פעילי שטח לבין CNT או GNP עשוי גם להיות לא מספיק עבור יישומים מכניים. תהליכי טיפול פלזמה יבשים המתבצעים בתנאים אטמוספריים עשויים להתאים למערכים פונקציונליים של CNT, הנמצאים על משטחים סיבים או מישוריים, המשמשים להכנת מרוכבים הירארכיים 9 . עם זאת, את האטמוספירה פלזמה קשה יותר ליישם אבקות יבש אינו מתייחס לבעיות עם agglomerates הנוכחי כמו מיוצרים ננו פחמן גלם.
בעבודה הנוכחית, אנו מציגים תיאור מפורט של ultrasonIcated-ozonolysis (USO) שיטה כי יש לנו בעבר החלת על ננו פחמן 12 , 13 , 14 . תהליך USO משמש להכנת פיזור יציב, מימי המתאימים להפצה אלקטרופורטית (EPD) הן CNTs ו- GNP על גבי סיבי פחמן וזכוכית. דוגמאות של EPD באמצעות USO-functionalized CNTs להפקיד דק, סרטים אחידים על גבי נירוסטה מצעים בד פחמן יסופקו. שיטות ותוצאות אופייניות המשמשות כדי לאפיין מבחינה כימית את CNTs פונקציונליות ותל"ג יהיה גם בתנאי, באמצעות רנטגן פוטואלקטרון ספקטרוסקופיה (XPS) וספקטרוסקופיית ראמאן. דיון קצר של תוצאות אפיון השוואה עם טכניקות פונקציונליזציה אחרים יסופקו.
הודעה על בריאות ובטיחות בעבודה
השפעת החשיפה לננו-חלקיקים כגון CNT, על בריאות האדם אינה מובנת היטב. זהמומלץ לנקוט צעדים מיוחדים כדי למזער את החשיפה ולהימנע מזיהום סביבתי עם אבקות CNT. הצעדים המוצעים לבדיקת סיכונים כוללים עבודה בתוך ארון אדים מצויד מסנן HEPA ו / או כפפות. אמצעי היגיינה תעסוקתית כוללים הלבשת בגדי מגן ושתי שכבות של כפפות וביצוע ניקוי שוטף של משטחים באמצעות מגבות נייר לחות או שואב אבק עם מסנן HEPA להסרת אבקות CNT תועה. מאמרים מזוהמים צריך להיות ארוז עבור סילוק פסולת מסוכנת.
חשיפה לאוזון יכולה לגרות את העיניים, הריאות, מערכת הנשימה, ועל ריכוזים גבוהים יותר עלול לגרום נזק ריאות. מומלץ לנקוט בצעדים לצמצום החשיפה האישית והסביבתית להפקת גז האוזון. אמצעי בידוד כוללים עבודה בתוך ארון קטר. כמו זרם האוויר לחזור יכיל אוזון בשימוש, זה צריך להיות עבר דרך יחידת אוזון להשמיד לפני שחרור לתוך אטמוכַּדוּר. דיספרסיונים שאובון מבעבע דרכם יכיל אוזון מומס. לאחר פעולות ozonolysis, לאפשר dispersions לשבת במשך שעה 1 לפני התחייבות עיבוד נוסף, כך האוזון יכול לעבור פירוק טבעי.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. פונקציונליות של CNTs ו GNPs על ידי Ozonolysis Ultrasonic
- שקלו את ננו בתא הכפפות בתוך ארון HEPA מצויד מסנן אדים. לשקול את הכמות הרצויה של ננו לתוך כוס. מעבירים בקבוק להוסיף מים ultrapure לעשות ריכוז של 1 גרם / L.
- אטום את הבקבוק עם מכסה. Ultrasonicate באמבט קולי רגיל (ראה רשימת חומרים, תדר: ~ 43 ± 2 קילוהרץ, הספק: 60 W) כדי לפזר את CNTs או GNP.
הערה: זהירות. עיין בהודעת עבודה ובטיחות בעבודה לעיל. - בזהירות שופכים את ההשעיה nanomaterial לתוך בקבוק הכור המכיל בר stirrer מגנטי. צרף מכסה הבקבוק הכור עם יציאות מספיק עבור האוזון ואת קולי קרניים פתחים ושקעים. מניחים את זה על צלחת ומערבבים להפעיל את stirrer מגנטי על ידי התאמת החוגה כדי למנוע את CNTs מ להתיישב מתוך ההשעיה.
- להרכיב את קרן אולטרה לתוך תא קולי לבדוק את הצופרטיפ במצב טוב. ראה איור 1 .
איור 1: מערכת אוזונוליזה Ultrasonic. תרשים סכמטי זה ממחיש כיצד לחבר את האלמנטים השונים של מערכת ozonolysis קולי. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.
- השתמש בצינור סיליקון כדי לחבר את הכור, תא קולי, ואת המשאבה peristaltic. עיין בתרשים 1 .
- הכנס את בועת האוזון לתוך הכור ולחבר אותו גנרטור האוזון.
הערה: זהירות. עיין בהודעת עבודה ובטיחות בעבודה לעיל. - חבר את יחידת הצידנית הנוזלית המחודשת לסליל קירור (כדי לצנן את הכור) ולמעבד הקירור של תא קולי. הפוך את המתג כדי להפעיל את נוזל recirculating נוזלייחידת g כדי לקרר את כור האוזון ותא קולי. ודא כי נוזל הקירור זורם הן בתא קולי קולי האמבטיה הקירור.
- השתמש תרמי מחובר יחידת בקרת קרן קולי למדוד את טמפרטורת הכור. המתן עד שהמערכת תתקרר ל 5 ° C.
- מניחים את הבקבוק הכור עם CNTs במצב. הכנס את מפזר האוזון לתחתית בקבוק הכור כך שהוא שקוע לגמרי. ודא כי צינור מוצא לתא קולי הוא שקוע לפחות 25 מ"מ מתחת לפני השטח של הפיזור.
- חבר את צינור מוצא מן הכור כדי יחידת אוזון להרוס באמצעות צינורות סיליקון אותו כמו בפעולת שאיבת peristaltic. שימוש בבועת מים בצד היציאה של יחידת ההרס של האוזון הוא אופציונלי, אך הוא מסייע ללכוד כל אוזן שיורית ומספק אינדיקציה לכך גנרטור האוזון מחובר ועובד כראוי.
- הפעל את אספקת החמצן לגנרטור האוזון ולהתאים את השסתום כדי להשיג קצב זרימה 0.5 ליטר / דקות באמצעות גנרטור האוזון.
- הפעל את גנרטור האוזון על ידי מדליק את המתג. אפשר לה לרוץ במשך 30-60 דקות לפני תחילת השאיבה או את תהליך ultrasonication.
- הפעל את המשאבה peristaltic, להתאים אותו ל 0.67 הרץ על ידי סיבוב חיוג המשאבה להגדרה של כ 5 או 6, ולוודא כי פיזור CNT זורם באופן שווה דרך התא.
- הפעל את קרן האולטרה-סאונד והזן את הספק ל -60 W על-ידי הזנת ערך זה למודול הבקרה שמתחת לתפריט ההפעלה הידנית.
- בעת האתחול הראשוני, כבש את הגדרת המשרעת באיטיות כדי להשיג את תפוקת החשמל הרצויה של 60 W.
הערה: קרן קולי פועלת ב 20 קילוהרץ. הגדרת משרעת והגדרת כוח הם בדרך כלל ערכים דומים, אבל עם ההפעלה הראשונית, הגדרת משרעת ייתכן שיהיה צורך להגדיל לאט כדי להשיג את הרצוןD הספק של 60 W.
- שים לב לתהליך sonication לפחות 30 דקות כדי להבטיח שאיבה יציבה פעולה קרן קולי.
- צג צינורות גמישים במגע ישיר עם מנגנון המשאבה peristaltic ללבוש. התאם את מיקום הצינור לפחות כל 2 שעות על מנת להבטיח כי הצינור שומר על שלמות. החלף את הצינור עבור כל עיבוד נפרד פחמן nanomaterial.
- כאשר זמן העיבוד הרצוי של USO חלף, לחץ על המתגים כדי לכבות את מחולל האוזון, את ה- sonicator ואת המשאבה. לשמור על ערבוב עד הפיזור ננומטרי פחמן מוכן להיות מועבר מיכל אטום לשימוש מאוחר יותר בתצהיר אלקטרופורטי.
- המתן בערך 1 שעות לפני העברת הפיזור כדי לאפשר את האוזון בפתרון כדי להתפרק.
- אם אלקטרופורזה לא מבוצעת בתוך 24 שעות של עיבוד USO, sonicate פיזור ננו שוב שוב כדי למזער את מספר החלקיקיםS להתיישב מתוך פיזור. הכנס את קרן קולית לתוך בקבוק של פיזור פחמן ננומטרי ו sonicate (כנ"ל) במשך 30 דקות לפני השימוש.
2. אלקטרופורזה
- הכינו שלוש אלקטרודות נירוסטה, 60 מ"מ (L) x 25 מ"מ (W), מתוך חומר גיליון 0.2 מ"מ.
- שוחקים האלקטרודות באמצעות נייר אלומיניום P1000 אוקסיד עם מים ultrapure כמו חומר סיכה. לאחר שחיקה, במקום האלקטרודות באמבטיה ניקוי קולי ולנקות אותם במשך 10 דקות במים ultrapure.
- מניחים את האלקטרודה כדי לשמש בתצהיר anodic בתנור נקי על 100 מעלות צלזיוס ויבש אותו במשך 10 דקות. להעביר את האלקטרודה כדי desiccator ולאפשר לו להתקרר. לשקול את האלקטרודה על איזון ארבע ספרות אנליטית.
- הקלט את המשקל של האלקטרודה לארבעה מקומות אחרי הנקודה העשרונית כמשקל ללא ציפוי בגרם. יבש את שתי האלקטרודות הנותרות ולאחסן אותם desiccator לשימוש כמו cathodes עבור דהעמדה.
- באמצעות סידור clamping מתאים (ראה איור 2 ), כגון סגן קטן 10 מ"מ שאינם מוליך פלסטיק מרווחים, להרכיב את האלקטרודות, עם האלקטרודות החיצוניות בשימוש כמו הקתודות ואת האלקטרודה הפנימית כמו האנודה.
איור 2: תא הפקדות אלקטרופורטי. תרשים סכמטי זה ממחיש את התצורה של תא בתצהיר אלקטרופורטי. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.
- העברת 35 מ"ל של פיזור פחמן ננומטרי כדי כוס 50 מ"ל.
- מניחים את מקבע האלקטרודה נירוסטה על מעמד המענה לאט לאט להוריד את האלקטרודות לעומק מלא של כוס. צרף את המסוף החיובי של אספקת החשמל DC אל האנודה נירוסטה המרכזיDe. חבר את המסוף השלילי של ספק הכוח DC לקתודה החיצונית. חבר את שני cathodes החיצוני באמצעות עופרת עם קליפים תנין.
- אם נדרש מדידות עדכניות מדויקות, חבר מולטימטר בסדרה עם יחידת אספקת החשמל ואלקטרודות כדי לאפשר ניטור במהלך ההפקדה.
- כוונן ידנית את ההגדרה הנוכחית על ספק הכוח DC לזרם המרבי (נומינלי, 2 A) ולאחר מכן את המתח לערך הנדרש עבור המחקרים, כדי להבטיח כי יציאת ספק הכוח כבויה. הכן סטופר והפעל את אספקת החשמל למשך הציפוי הנדרש.
- עבור ניסוי ציפוי טיפוסי, להתאים את המתח ל 10 V, עם ציפוי פעמים הנעים בין 1 ל 15 דקות. כבה את ספק הכוח DC ולאחר מכן לאט להרים את האלקטרודות מתוך הפיזור, להבטיח כי הסרט לא מופרע.
- נתק את המסופים מן האלקטרודות לאט להפוך את האלקטרודות לכיוון כיוון אופקי tO לאפשר את הסרט על האנודה להתייבש באופן שווה. לאחר הלחות התאדה מהסרט בטמפרטורת החדר, לפרק את מקבע האלקטרודה במקום את האנודה בתנור ב 100 מעלות צלזיוס לייבוש במשך 1 שעות.
- מהדק לתלות את האנודה בתנור על מנת להבטיח כי הסרט אינו בא במגע ישיר עם כל המשטחים.
- מניחים את הסרט מצופה האנודה בתוך desiccator ולאפשר לו להתקרר, ואז לשקול אותו על איזון ארבע ספרות אנליטית. רשום את המשקל לארבע מקומות עשרוניים. להחליש את המשקל של האנודה uncoated כדי לקבוע את המסה של הסרט שהופקדו.
- צלם את האנודה המצופה. השתמש בחבילה מתאימה לעיבוד תמונה כדי למדוד במדויק את שטח הסרט שהופק. השתמש מסה באזור כדי להקליט את צפיפות אראל של הסרט מ"ג / ס"מ 2 .
- חזור על ציפוי וצעדי במשקל עבור כל פעם בתצהיר נדרש לקבוע את שיעור ההפקדה של ננו פחמן על גבי נירוסטהTeel עבור חוזק שדה ספציפי בשימוש.
3. אפיון כימי - רנטגן פוטואלקטרון ספקטרוסקופיה (XPS) 15
- כדי להכין את הדגימות לניתוח XPS, ירידה להטיל את התפוצה CNT מימית מן המקורי 1 גרם / פיזור L.
- באמצעות פיפטה, להפקיד טיפה של הפיזור על דיסק נירוסטה והוא מאפשר להתייבש בטמפרטורת החדר. חזור על התהליך עד ציפוי CNT עבה אחיד של כ 2 מיקרומטר עובי הוא ציין על הדיסק. הר הדיסק נירוסטה על גבי בדלי מדגם באמצעות סרט מוליך דו צדדי.
- הכנס את דגימות לחדר הכניסה המדגם ומשאבה עד ואקום של 5 x 10 -7 טור לפני העברתו לחדר ניתוח הראשי. המתן ללחץ קאמרי הראשי להגיע 5 x 10 -9 טור לפני מיקום המדגם להתחייב ניתוח.
- לבצע את התנאים התפעוליים טיפוסי למדידות XPS, להשתמש מונוכרומטי אל K α, מקור רנטגן 1 הפועלים ב 150 W להאיר שטח של 700 מיקרומטר x 300 מיקרומטר. זיהוי Photelectrons ב -90 מעלות ההמראה זווית ביחס למשטח המדגם.
- כייל את קנה המידה האנרגיה ספקטרומטר באמצעות שיא 4/7 Aue photelectron באנרגיה מחייב של 83.98 eV.
הערה: סולם האנרגיה מתואם בתוכנת בקרת המכשיר במהלך ביצוע הפעולה הראשונית של המכשיר. זה נבדק באופן קבוע לאחר כל פעולות תחזוקה על ידי ספקטרוסקופיסט אחראי על הציוד לא צריך להיות שונה על ידי המשתמשים.
- כייל את קנה המידה האנרגיה ספקטרומטר באמצעות שיא 4/7 Aue photelectron באנרגיה מחייב של 83.98 eV.
- לפקח על תשלום המדגם הראשוני על ידי מיקום חלון 30-eV מעל אזור C 1. לבצע פיצוי תשלום על ידי התאמת פרמטר אלקטרונים האקדח להציב באופן שיטתי למקם את הפסגה C 1s ב 284.6 eV כדי למזער את רוחב הפס במחצית עוצמת שיא מקסימלית (FWHM).
- ביצוע סריקות סקר על 160 eV לעבור אנרגיה 0.5 צעדים eV, עם זמן להתעכב של 0.1 s, במצב שידור קבוע Analyzer לזהות את מינים היסודות פני השטח. רכש ספקטרום אזור באנרגיה 20V לעבור באמצעות 0.05-eV צעדים ושכון של 0.2 s. השתמש בין 4 ל 8 מטאטא כדי לשפר את יחס אות לרעש.
- כדי לכמת את הספקטרום, להשתמש בכושר רקע שירלי וגורמי רגישות מספריה היסודי מתאים 16 .
- Deconvolve C 1s ברזולוציה גבוהה X-ray photelectron ספקטרום לקבוע מינים שונים חמצן פחמן נוכח עם זמן הטיפול USO 15 .
- כדי deconvolute במדויק את הפסגה C 1s, לבצע התאמה שיא הראשונית לצורה של פחמן graphitic כדי להבטיח את הצורה השיא עקב מליטה sp 2 ואת התרומות של אנרגיה נמוכה מסוג π סוג לווין לוויינים נשמרים> 17. עבור כל התאמת השיא, יש להגביל את האנרגיות המחייבות של הרכיב ואת FWHM על ידי ± 0.1 ± eV ± ± 0.2 eV, בהתאמה, ולהשתמש יחס גאוס / לורנציאני של 30.
- להתאים את צורת שיא גרפיט באמצעות שישה פסגות נפרדות. לשמור על יחסים קבועים את האזורים של כל השיא יחסית לשיא גרפיט הראשי ב 284.6 eV לשמור על הצורה עקב עקב המרכיב graphitic בננומטריה מעובד 15 , 9 , 14 .
4. אפיון מבני - ספקטרוסקופיה ראמאן 18
- הכן את ננו עבור אפיון ספקטרוסקופיית ראמאן על ידי דילול הפיזור המקורי עם מים deionized להשיג ריכוז 0.1 גרם / L. פיפטה 0.05 מ"ל של פיזור על מצע זהב מלוטש מתאים. אפשר טיפת להתאדות בטמפרטורת החדר לייצר סרט פחמן דק שעליו פוקלנו את נקודת לייזר ראמאן.
הערה: גודל מצע הזהב הוא אגב לתוצאה כאשר מצע גדול משמש, דגימות מרובות ניתן להפקיד על שקופית אחת. - בצע מדידות ראמאן עם העדשה 50X אובייקטיבי העדשה באמצעות מיקרוסקופ confocal dispersive לייזר 532 ננומטר. לרכוש את הספקטרום בין 3,500 ו 50 ס"מ -1 ברזולוציה של 2 ס"מ -1 . השתמש צמצם 50 מיקרומטר חור פינה עם אנרגיית לייזר בין 1 ו 10 mW, באמצעות האנרגיה המקסימלית האפשרית כך שאין השפלה מדגם מתרחשת במהלך איסוף.
- לאסוף את הספקטרום על ידי הצטברות בין 10 ל 50 סריקות באמצעות זמן חשיפה בין 2 ל 5 עבור כל סריקה בודדת כדי להשיג יחס אות לרעש סביר.
5. הסרט מורפולוגיה - סריקת מיקרוסקופית אלקטרונים (SEM)
- עבור ניתוח SEM של פונקציונלי לעומת nonunctionalized CNT / GNPs, לדלל droplEt של כל פיזור ל 0.1 גרם / L באמצעות מים deionized. הפקדה אותו על בד אלומיניום SEM ולאפשר להתייבש באוויר לילה.
- עבור סרטים EPD שהופקדו על האלקטרודות אל חלד, לחתוך את האלקטרודות לתוך 1 ס"מ x 1 ריבועים ס"מ ולהעלות אותם על מדפי מדגם באמצעות סרט מוליך דו צדדי. צבע קו קטן של דאג כסף ( כלומר, דבק מוליך / צבע) מדבשת מדגם על פני השטח העליון של הדגימה כדי לשפר את הנתיב המוליך. יבש את המדגם מתחת מנורה דוד לפחות 15 דקות.
- מניחים את הדגימה רכוב ב coater מגבת ולתת לו ציפוי אירידיום מוליך כ 1.3-1.5 ננומטר עבה 19 .
- על יחידת מדידת עובי, להגדיר את צפיפות החומר לרמה המתאימה, אשר 22.56 גרם / ס"מ 3 עבור אירידיום. התאם את הגדרת עובי היעד 1.0 ננומטר לתת עובי של כ 1.3-1.5 ננומטר כאשר חשבונאות עבור נסחף תרמית במהלך p ציפוירוסס.
- הגדר את יחידת הקערה כדי לאפשר את פעולת המפרש של המפרק להיות נשלטת על ידי יחידת מדידת עובי. בחר את פלט הכוח הרצוי, אשר אמור להיות 80 mA עבור ציפוי ברזולוציה גבוהה 19 .
- אפס את הציפוי עובי מד על יחידת בקרת עובי ולחץ על "מחזור" כפתור להתחיל פינוי קאמרית אוטומטית, ארגון דימום / סומק רצף ציפוי. כאשר הכוח הגיע לרמה הרצויה, להזיז את מגן היעד כדי לאפשר ציפוי להתחיל. סובב להטות את הבמה במהלך ציפוי כדי להקל על ציפוי אפילו מכל הצדדים.
- בחן את ננו באמצעות שדה פליטה SEM עם גלאי עדשה. השתמש במרחק עבודה של כ 3 מ"מ ומתח איצה של 3.0 קילו וולט.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
איור 3 מציג את אפיון XPS רחב סריקה של CNTs שעברו טיפול USO. CNTs שלא עברו USO מראים כמעט שום תכולת חמצן. כמו הזמן USO מגביר, את רמת החמצן פני השטח עולה. איור 4 תרשימים יחס חמצן לפחמן מגביר כפונקציה של זמן USO. טבלה 1 מציגה את מימן הפחמן מינים ריכוזים אטומיים של התל"ג מטופלים עם USO. התאמת השיא השתמשה בשילוב של פסגות מוגבלות, המיוצגות על ידי Gr1 ל- Gr6, כדי לייצג את צורת השיא הטבועה בשל הגרפיט ואובדן האנרגיה הקשור 17 . לאחר מכן נוספו המינים המכילים חמצן, וקורלציה צולבת עם נתוני התאמת ה- C1s לבין אחוזי C ו- O היסודיים נעשתה על מנת להבטיח שתוצאות הולמות שיא גבוהות הושגו. CO, C = O, ו COO מינים הם ברמות לא משמעותי ללא טיפול USO אבל במקומט במידה ניכרת עם 12 שעות של USO.
ספקטרום ראמאן של CNTs שטופלו על ידי USO מוצגים באיור 5 . עוצמת הלהקה D ב 1,346 ס"מ -1 מציין את נוכחותם של פגמים CNTs 20 ו מציין כי פגמים כבר קיים CNTs לפני הטיפול USO. עם הגדלת זמן הטיפול USO, יש שינוי של הלהקה G, מ 1,576 ס"מ -1 עד 1,582 ס"מ -1 , עם מרכיב השני הופך בולט יותר ב 1,618 ס"מ -1 . זה מתאים לעלייה ברמת החמצון של CNTs. יש גם ירידה ניכרת בעוצמת הלהקה הדו-מימדית ב -2,698 ס"מ -1 ועלייה קטנה בהרכב D + G ב -2,941 ס"מ -1 עם זמן הטיפול ב- USO, דבר המצביע על עלייה ברמת החמצון ב- CNT 20 .
יחס אינטנסיביות של D ל G הלהקהS, I D / I G , נמדד ב- 1.18 ללא USO, עלה ל- 1.37 לאחר 155 דקות של טיפול ב- USO, והמשיך לעלות בקצב איטי בהרבה עם זמני טיפול גבוהים יותר ב- USO. זה עשוי להצביע על כך חמצון מתרחש בעיקר פגמים קיימים, לאחר אתרי פגם קיימים רוויים, ההשפעה החמצון של זמן טיפול נוסף USO מתרחשת בקצב איטי יותר. זה מצביע על כך שיש נזק מינימלי למבנה CNT כפי שהתקבל מ USO.
התמונות SEM בתרשים 6 להראות CNTs שטופלו USO לעומת CNTs לא מטופלים. CNTs untreated הם clumped מאוד, בעוד CNOs מטופלים USO הם מפוזרים באופן שווה יותר על פני השטח, מראה כי USO סייעה להפחית agglomerates הנוכחי בחומר קיבל.
ה- CNTs שטופלו ב- USO הועברו לאחר מכן באמצעות מגוון של קונדיטיונים. סרטים עבים הופקו כמו זמן אלקטרופורזה גדל; סרטים עבים יותר נוצרו גם באמצעות ריכוזי CNT גבוהים יותר, כפי שמוצג באיור 7 . תוצאות דומות מושגות כאשר נעשה שימוש בתשתיות GNP. איור 8 מראה את שיעור בתצהיר אלקטרופורטי בריכוזי CNT שונים, באמצעות שיעורי בתצהיר מחושב מעקומת התאמת הנתונים באיור 7 . נראה כי שיעור ה- EPD של CNTs שטופלו USO יכול להיות צפוי באופן סביר אם ריכוז CNT הראשונית ידועה. הקשר הליניארי בריבוי התצהיר וריכוז הפיזור ניבא מחוק Hamaker 21 , אך שיעור הלוגריתמי בתצהיר מראה ששינויים בפרמטרים בתצהיר מתרחשים עם הזמן. העבודה הקודמת שלנו, שבה CNTs הופקדו על פחמן 12 ו 13 בדים זכוכית, גם הראה בבירור כי שיעור בתצהיר עם הזמן הוא לא ליניארי. בִּלתִיDer קבוע מתח בתצהיר, ההתנגדות של הסרט CNT מגדילה, המוביל לירידה בשיעור בתצהיר.
איור 3: אפיון כימי - XPS. CNTs אשר היה נתון USO עבור פעמים שונות נותחו באמצעות XPS. תמונה זו מציגה את השינויים בסריקה רחבה בעוצמת החמצן (532 eV) ובפחמן (284.6 eV), כאשר עוצמת החמצן גדלה בזמנים גבוהים יותר של USO. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 4: יחס אטומי - XPS. גרף זה מציג את השינוי היחסי האטומי O: C של CNTs עם הגדלת פעמים USO, מחושב על ידיסריקות שמוצג באיור 3 . מנגנון האוזונוליזה מורכב מאוד, והתאמה פולינומית מסופקת, כמדריך לקורא, כדי להראות את המגמה בשיעור חמצון, אבל לא להסביר שום דבר על מנגנון האוזונוליזה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 5: אפיון מבני - ראמאן. כל הספקטרה הראתה להקות D חזקות (~ 1,346 ס"מ -1 ), להקות G (~ 1,576 ס"מ -1 ), להקות דו-ממדיות (~ 2,698 ס"מ -1 ), ו- D + G להקות (~ 2,941 ס"מ -1 ). עלייה D- הלהקה עולה כמה עלייה המומים graphitic. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו. >
איור 6: הסרט מורפולוגיה - SEM. תמונות אלה מציגות CNTs שהיו ( א ) לא טופלו כימית ו ( ב ) USO שטופלו במשך 16 שעות. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 7: מדידות אלקטרופורזה. גרף זה מציג את הצפיפות של סרטים EPD לעומת זמן בתצהיר באמצעות שלושה ריכוזים שונים של CNTs מפוזרים במים. יהלומים כחולים = 2 גר '/ ליטר, ריבועים אדומים = 1.5 גרם / ליטר, ומשולשים ירוקים = 1 גר' / ליטר. שדה חשמלי 14 V / cm היה בשימוש עבור דגימות אלה.Jpg "target =" _ blank "> אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 8: שיעור הפקדות אלקטרופורטי. מגרש של שיעור EPD לעומת ריכוזי CNT, באמצעות שיעורי בתצהיר מחושב מתוך עקומת בכושר של איור 7 העלילה של צפיפות הסרט לעומת זמן בתצהיר. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.
| שֵׁם | עמדה | אילוץ | FWHM | אילוץ | איזור שטח | אטומיתריכוז | |
| 0 ח | 12 שעות | ||||||
| Gr 1 | 284.6 | ± 0.1 | 0.7 | ± 0.2 | הכי מתאים | 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 | הכי מתאים | 2.1 | |||
| שיתוף | 287 | 1.2 | הכי מתאים | 1.5 | 14.3 | ||
| C = O | 288.6 | 1.2 | הכי מתאים | 0.9 | 12.4 | ||
| COO | 289.4 | 1.2 | הכי מתאים | 0.9 | 5.3 | ||
טבלה 1: אפיון כימי - XPS. טבלה זו מציגה את הפרמטרים המתאימים לשימושים המשמשים להפחתת ספקטרום C 1 עבור התוצר הלאומי הגולמי המעובד בשיטת USO למשך 0 שעות ו -12 שעות טיפול. זה גם מראה את הריכוזים האטומיים הנובעים של כל מין 14 . Gr 1, Gr 2, וכו ' מייצגים את פסגות גרפיט שונים בשימוש בהתאמה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
למחברים אין מה לחשוף.
Acknowledgments
מרכיב השכר של העבודה מומן על ידי חבר המדינות של אוסטרליה. המחבר מאוניברסיטת דלוור מודה בתמיכת הקרן הלאומית למדע של ארה"ב (גרנט # 1254540, ד"ר מרי טוני, מנהל התוכנית). המחברים מודים למר מארק פיצג 'רלד על עזרתו עם המדידות בתצהיר אלקטרופורטי.
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).
