Summary
Burada, karbon nanomalzemelerinin sulu ortamlarda işlevselleştirilmesi ve kararlı şekilde dağılması için yeni bir yöntem anlatılmıştır. Ozon, doğrudan yüksek güçlü bir ultrasonik hücre vasıtasıyla devridaim edilen sulu bir karbon nanomateryal dispersiyonuna enjekte edilir.
Abstract
Karbon nanomalzemelerinin işlevselleştirilmesi çoğu kez daha büyük malzeme sistemleri ve cihazlarına entegrasyonunu kolaylaştıran kritik bir adımdır. Alınan formda, karbon nanotüpleri (CNTs) veya grafen nanoplatelets (GNPs) gibi karbon nanomalzemeleri büyük aglomera içerebilir. CNT'ler veya GNP'ler polimerlere veya kompozit malzeme sistemlerine dahil edildiğinde, hem aglomeratlar hem de yabancı maddeler, eşsiz elektriksel ve mekanik özelliklerin faydalarını azaltacaktır. Karbon nanomalzemelerini işlevsel hale getirmek ve dengeli dispersiyonlar oluşturmak için çeşitli yöntemler mevcut olmasına rağmen, çoğu süreç çevresel olarak düşmanca olan ve sonraki kullanım için nanomalzemeleri izole ederken işlem yükünü artırabilecek sert kimyasallar, organik çözücüler veya yüzey aktif maddeler kullanmaktadır. Mevcut araştırma, CNT ve GNP'lerin işlevselleştirilmesi için alternatif, çevre dostu bir teknik kullanımını ayrıntılarıyla anlatıyor. Zararsız, kararlı, sulu dispersiyonlar üretir.Ul kimyasallar. Hem CNT'ler hem de GNP'ler suya 5 g / L'ye kadar konsantrasyonlarda eklenebilir ve yüksek güçlü bir ultrasonik hücre vasıtasıyla devridaim yapılabilir. Aynı anda hücrenin içine ozon enjeksiyonu karbon nanomalzemelerini aşamalı olarak okside eder ve kombine ultrasonication aglomeraları parçalayıp hemen işlevselleştirme için taze materyali ortaya çıkarır. Hazırlanan dispersiyonlar, elektroforetik çökelti (EPD) kullanılarak katı substratlara ince filmlerin yerleştirilmesi için idealdir. Sulu dispersiyonlardan elde edilen CNT ve GNP'ler hiyerarşik kompozit materyallerin hazırlanması için EPD kullanılarak karbon ve cam takviye liflerinin kaplanması için kolayca kullanılabilir.
Introduction
Polimer ve kompozit sistemleri değiştirmek için karbon nanomalzemelerinin kullanımı son 20 yılda yoğun bir araştırma ilgi alanı bulmuştur. Hem karbon nanotüpleri 1 (CNT'ler) hem de grafen nanoplateletler 2 (GNP'ler) hakkındaki son incelemeler, araştırma genişliğinin bir göstergesi. CNT'lerin ve GNP'lerin yüksek özgül sertliği ve mukavemeti ve yüksek iç elektrik iletkenlikleri, malzemeleri hem polimerik sistemlere dahil etmek için hem de nanokompozit malzemelerin mekanik ve elektriksel performansını artırmak için ideal hale getirir. CNT'ler ve GNP'ler ayrıca, karbon ara-yüzü yapışmasını ve matris sertliğini değiştirmek için karbon nanomalzemelerini kullanarak hiyerarşik bileşik yapıların geliştirilmesi için kullanılmıştır. 3 , 4 .
Karbon nanomalzemelerinin polimerik sistemlere homojen dağılımı genellikle gerektirirNanomalzemeleri polimer matrisi ile kimyasal uyumluluğunu arttırmak için kimyasal olarak değiştiren, yabancı maddeleri çıkaran ve yığınları kabul edilen malzemelerden indiren veya kaldıran proses aşamaları. Karbon nanomalzemelerini kimyasal olarak değiştirmek için çeşitli yöntemler mevcuttur ve bunlar, 5 , 6 nolu güçlü asitler , 7 yüzey aktif cismi ile modifikasyon, 8 nolu elektrokimyasal interkalasyon ve pul pul döküm 8 ya da plazma bazlı işlemler 9 kullanarak kuru kimyasal işleme kullanılarak yaş kimyasal oksidasyon içerebilir.
CNT'lerin oksidasyon aşamasında kuvvetli asitlerin kullanılması, oksijen fonksiyonel grupları getirir ve safsızlıkları giderir. Bununla birlikte, CNT uzunluğunu önemli ölçüde azaltmak, CNT dış duvarlarına zarar vermek ve daha sonraki işlemler için işlenmiş materyalden izole edilmesi gereken tehlikeli kimyasalların kullanılması dezavantajına sahiptir./ Sup>. Ultrasonication ile birleştirilen sürfaktanların kullanımı kararlı dispersiyonların hazırlanması için daha az agresif bir yöntem sunar ancak yüzey aktif maddenin muamele edilen malzemeden çıkarılması genellikle zordur ve nanokompozit materyali 1 , 11 hazırlamak için kullanılan polimerle uyumlu olmayabilir. Yüzey aktif madde molekülü ile CNT veya GNP arasındaki kimyasal etkileşimin gücü mekanik uygulamalar için de yetersiz olabilir. Atmosferik koşullar altında gerçekleştirilen kuru plazma işlem prosesleri hiyerarşik kompozitler hazırlamak için kullanılan elyaf veya düzlemsel yüzeylerde bulunan CNT dizilerinin işlevselleştirilmesi için uygun olabilir 9 . Bununla birlikte, atmosferik plazmanın kuru tozlara uygulanması daha zordur ve üretilen ham karbon nanomalzemelerinde bulunan aglomeratlar ile ilgili problemleri ele almamaktadır.
Bu çalışmada, ultrasonun ayrıntılı bir tanımını sunuyoruzDaha önce karbon nanomalzemelerine 12 , 13 , 14 uygulanmış olan buzlu-ozonoliz (USO) yöntemi. USO prosesi hem CNT'leri hem de GNP'leri elektroforetik olarak (EPD) karbon ve cam elyaf üzerine çöktürmek için mukavemetli, sulu dispersiyonlar hazırlamak için kullanılır. Paslanmaz çelik ve karbon kumaş altlıklarına ince, düzgün filmler yerleştirmek için USO-fonksiyonlu CNT'leri kullanan EPD örnekleri sağlanacaktır. Hem X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS) hem de Raman spektroskopisi kullanılarak, işlevselleştirilmiş CNT'leri ve GSMH'ları kimyasal olarak karakterize etmek için kullanılan yöntemler ve tipik sonuçlar sağlanacaktır. Diğer işlevselleştirme teknikleriyle karşılaştırıldığında karakterizasyon sonuçlarının kısa bir tartışması sağlanacaktır.
İş Sağlığı ve Güvenliği Bildirimi
CNT'ler gibi nanoparçacıklara maruz kalmanın insan sağlığı üzerindeki etkileri iyi anlaşılmamıştır. OCNT tozlarına maruz kalmayı en aza indirgemek ve çevre kirliliğinden kaçınmak için özel tedbirlerin alınması önerilir. Önerilen tehlike yalıtımı önlemleri, bir HEPA filtre donanımlı duman dolabında ve / veya eldiven kutusunda çalışmayı içerir. Mesleki hijyen tedbirleri, koruyucu elbise giymek ve iki kat eldiven giymek ve sönük kağıt havlu kullanarak yüzeylerin düzenli olarak temizlenmesini veya sersem CNT tozlarını gidermek için bir HEPA filtreli bir elektrikli süpürgeyi içermektedir. Kirlenmiş eşyalar tehlikeli atık bertarafı için torbaya konmalıdır.
Ozona maruz kalmak gözleri, akciğerleri ve solunum sistemini tahriş edebilir ve daha yüksek konsantrasyonlarda akciğer hasarına neden olabilir. Oluşan ozon gazı ile ilgili kişisel ve çevresel maruz kalmaları en aza indirgemek için önlemler alınması önerilir. İzolasyon tedbirleri duman kabininde çalışmayı içerir. Geri dönüş havası akışı kullanılmayan ozon içerdiğinden atmosfere salınmadan önce bir ozon tahliye ünitesinden geçirilmelidir.küre. Ozonla kabarcıklanan dispersiyonlarda bir miktar çözülmüş ozon var. Ozonolizis operasyonlarından sonra, dispersiyonların, sonraki işlemler yapmadan önce 1 saat beklemesine izin verin, böylece ozon doğal bozunuma uğrayabilir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. CNT'lerin ve GNP'lerin Ultrasonik Ozonoliz ile İşlevlendirilmesi
- Nanomalzemeleri bir HEPA filtre donanımlı duman dolabının içindeki eldiven kutusundan tartın. Arzu edilen miktardaki nanomalzemeleri bir behere tartın. Bir şişeye aktarın ve 1 g / L konsantrasyon elde etmek için ultra saf su ilave edin.
- Şişeyi bir kapakla kapatın. CNT'leri veya GSMH'ları dağıtmak için standart bir ultrasonik banyoda Ultrasonikasyon (Bkz. Malzeme Listesi; frekans: ~ 43 ± 2 kHz; güç: 60 W).
NOT: DİKKAT. Yukarıdaki İş Sağlığı ve Güvenliği Bildirimine bakın. - Manyetik bir karıştırma çubuğu içeren bir reaktör şişesine dikkatle nanomateryal süspansiyonu dökün. Ozon ve ultrasonik boynuz girişleri ve çıkışları için yeterli porta sahip bir reaktör şişesi takın. Bunu karıştırma plakasına yerleştirin ve CNT'lerin süspansiyona girmesini önlemek için kadranı ayarlayarak manyetik karıştırıcıyı açın.
- Ultrasonik boynuzu ultrasonik hücrenin içine monte edin ve boynuzunİpucu iyi durumda. Bkz. Şekil 1 .
Şekil 1: Ultrasonik Ozonoliz Sistemi. Bu şematik diyagram, ultrasonik ozonoliz sisteminin çeşitli elemanlarının nasıl bağlanacağını gösterir. Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.
- Reaktörü, ultrasonik hücreleri ve peristaltik pompayı birbirine bağlamak için silikon boru kullanın. Şekil 1'e başvurun.
- Ozon baloncuklarını reaktöre yerleştirin ve ozon jeneratörüne bağlayın.
NOT: DİKKAT. Yukarıdaki İş Sağlığı ve Güvenliği Bildirimine bakın. - Devridaim sıvısı soğutucu birimini bir soğutma bobine (reaktörü soğutmak için) ve ultrasonik hücre soğutucu cekete bağlayın. Devridaimi yapan sıvı soğutucuyu açmak için anahtarı çevirinG birimi ozon reaktörünü ve ultrasonik hücrenin soğutulmasını sağlar. Soğutma sıvısının hem ultrasonik hücre hem de reaktör soğutma banyosundan aktığından emin olun.
- Reaktör sıcaklığını ölçmek için ultrasonik boynuz kontrol ünitesine bağlı bir termokupl kullanın. Sistem 5 ° C'ye soğuyana kadar bekleyin.
- Reaktör şişesini CNT'ler ile birlikte yerleştirin. Ozon difüzörünü reaktör şişesinin altına yerleştirin, böylece tamamen su altına batırılır. Ultrasonik hücrenin çıkış tüpünün dağılım yüzeyinin en az 25 mm altına daldığından emin olun.
- Reaktördeki çıkış borusunu, peristaltik pompalama işlemi ile aynı silikon boruyu kullanarak ozon tahliye ünitesine bağlayın. Ozon tahliye ünitesinin çıkış tarafında su kabarcığı kullanımı isteğe bağlıdır, ancak kalıntı ozonu yakalamaya yardımcı olur ve ozon jeneratörünün bağlı ve doğru şekilde çalıştığına dair bir gösterge sağlar.
- Ozon jeneratörüne oksijen girişi açın ve ozon jeneratörü aracılığıyla 0.5-L / dak'lık bir akış oranı elde etmek için vanayı ayarlayın.
- Anahtarı çevirerek ozon jeneratörünü açın. Pompalama veya ultrasonication işlemine başlamadan önce 30-60 dakika çalışmasına izin verin.
- Peristaltik pompayı açın, pompa kadranını yaklaşık 5 veya 6 ayarına getirerek 0,67 Hz'ye ayarlayın ve CNT dağılımının hücrede eşit olarak aktığından emin olun.
- Ultrasonik boynuzu açın ve manuel çalışma menüsü altında bu değeri kontrol modülüne girerek gücü 60 W değerine ayarlayın.
- Başlangıçtaki başlangıçta, 60 W'lık istenen güç çıkışını elde etmek için amplitüd ayarını yavaşça yukarı kaldırın.
NOT: Ultrasonik korna 20 kHz'de çalışır. Genlik ayarı ve güç ayarı genellikle benzer değerlerdedir, ancak başlangıçtaki başlangıçta, amplitüd ayarının arzuyu elde etmek için yavaşça yükseltilmesi gerekebilirD güç çıkışı 60 W'dır.
- Kararlı pompalama ve ultrasonik boynuz işlemini sağlamak için sonication işlemine en az 30 dakika boyunca uyun.
- Esnek boruyu peristaltik pompa mekanizması ile doğrudan temas halinde takın. Borunun bütünlüğünü korumasını sağlamak için, boru konumunu en az her 2 saatte bir ayarlayın. Her bir ayrı karbon nanomateryali işleme çalışması için boruyu değiştirin.
- İstenilen USO işlem süresi dolduğunda, ozon jeneratörünü, sonikatörü ve pompayı kapatmak için düğmelere basın. Karbon nanomateryal dispersiyonu daha sonra elektroforetik birikimde kullanılmak üzere kapalı bir kaba aktarılmaya hazır olana kadar karıştırmayı koruyun.
- Çözeltideki ozonun ayrışmasına izin vermek için dispersiyonu aktarmadan önce yaklaşık 1 saat bekleyin.
- USO işleminden 24 saat sonra elektroforez yapılmazsa, parçacık sayısını en aza indirgemek için nanomateryal dağılımını yeniden sonik hale getirinDağılmadan yerleşiyor. Sonik boynuzu karbon nanomateryal dispersiyon şişesine yerleştirin ve kullanmadan önce 30 dakika boyunca sonikleyin (yukarıdaki gibi).
2. Elektroforez
- 0 mm'lik tabaka malzemeden 60 mm (L) x 25 mm (W) olmak üzere üç paslanmaz çelik elektrot hazırlayın.
- Bir yağlayıcı olarak ultra saf su bulunan P1000 alüminyum oksit zımpara kağıtlarını kullanarak elektrotları sıyırın. Aşınmayı takiben, elektrotları ultrasonik temizleme banyosuna yerleştirin ve 10 dakika süreyle ultra saf suda temizleyin.
- Elektrodun anotla çökeltilmesi için kullanılacak elektrodu 100 ° C'de temiz bir fırın içine yerleştirin ve 10 dakika boyunca kurutun. Elektrodu bir desikatöre taşıyın ve soğumasını bekleyin. Elektrodu dört rakamlı analitik bir teraziyle tartın.
- Elektrotun ağırlığını kaplanmamış ağırlık olarak gram cinsinden dört ondalık basamak içine kaydedin. Kalan iki elektrodu kurutun ve deşatöre katot olarak kullanmak üzere desikatöre koyun.konumu.
- Küçük bir köşe başı ve 10 mm'lik iletken olmayan plastik izleyiciler gibi uygun bir sıkıştırma düzeneği (bkz. Şekil 2 ) kullanarak, elektrotları birleştirin, dış elektrotlar katotlar olarak ve iç elektrot da anot olarak kullanılır.
Şekil 2: Elektroforetik Dökme Hücresi. Bu şematik diyagram, elektroforetik çökelme hücresinin konfigürasyonunu göstermektedir. Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.
- 35 mL'lik karbon nanomateryal dispersiyonunu 50 mL'lik bir behere aktarın.
- Paslanmaz çelik elektrot fikstürünü bir imbik standına yerleştirin ve elektrotları yavaşça beher derinliğine indirin. DC güç kaynağının pozitif ucunu merkezi paslanmaz çelik anoya takınde. DC gç kaynağının negatif ucunu dış katota takın. İki dış katodu, timsah klipsli kurşun kullanarak bağlayın.
- Doğru akım ölçümleri gerekiyorsa, yerleştirme sırasında izlemeyi etkinleştirmek için güç kaynağı ünitesi ve elektrotlarla seri olarak bir multimetre bağlayın.
- DC güç kaynağındaki geçerli ayarı, maksimum çalışma akımına (nominal olarak 2 A) ve ardından çalışma için gerekli olan değere voltaj ayarlayarak, güç kaynağı çıkışının kapalı olduğundan emin olun. Gerekli kaplama süresi için bir kronometre hazırlayın ve güç kaynağını açın.
- Tipik bir kaplama deneyi için, kaplama süreleri 1 ila 15 dakika arasında değişen gerilimi 10 V'a ayarlayın. DC güç kaynağını kapatın ve filmi rahatsız etmeden elektronları dağılımdan yavaşça kaldırın.
- Terminalleri elektrotlardan ayırın ve elektrotları yavaşça yatay yönde çevirin tO anod üzerindeki filmin eşit şekilde kurumasına izin verin. Nem filmden oda sıcaklığında buharlaştırıldıktan sonra elektrot fikstürünü sökün ve anodu 100 ° C'de fırına yerleştirin ve 1 saat boyunca kurumaya bırakın.
- Filmin herhangi bir yüzeyle doğrudan temas etmemesini sağlamak için anodu sıkıştırın ve anotu fırına asın.
- Film kaplamalı anodu desikatöre yerleştirin ve soğumasına izin verin, ardından dört rakamlı bir analitik terazi üzerinde tartın. Ağırlığı dört ondalık basamağa kaydedin. Depolanmış filmin kütlesini belirlemek için kaplanmamış anodun ağırlığını çıkartın.
- Kaplamalı anot fotoğraflayın. Depozit edilen filmin alanını doğru bir şekilde ölçmek için uygun bir görüntü işleme paketi kullanın. Filmin alan yoğunluğunu mg / cm2 olarak kaydetmek için kütle ve alanı kullanın.
- Karbon nanomeri malzemenin paslanmaz çelik üzerine çökelme oranını belirlemek için gereken her depozisyon süresi için kaplama ve tartım adımlarını tekrarlayınBelirli alan kuvvetleri için teel kullanılmaktadır.
3. Kimyasal Karakterizasyon - X-ışını Fotoelektron Spektroskopisi (XPS) 15
- Örnekleri XPS analizi için hazırlamak için, sulu CNT dispersiyonlarını orijinal 1 g / L dispersiyondan damla damlatın.
- Bir pipet kullanarak dağılım damlacıklarını paslanmaz çelik bir disk üzerine koyun ve oda sıcaklığında kurumasına izin verin. Disk üzerinde yaklaşık 2 μm kalınlıkta eşit kalınlıkta bir CNT kaplaması gözlenene kadar işlemi tekrarlayın. Çift taraflı iletken bant kullanarak paslanmaz çelik diski numune saplamalarına monte edin.
- Örnekleri örnek giriş odasına yerleştirin ve ana analiz odasına aktarmadan önce 5 x 10 -7 Torr'luk bir vakuma kadar pompalayın. Numuneyi yerleştirmeden ve analiz yapmadan önce ana odacık basıncının 5 x 10 -9 Torr'a ulaşmasını bekleyin.
- içinXPS ölçümleri için tipik çalışma koşullarını takip edin, 700 μm x 300 μm'lik bir alanı aydınlatmak için 150 W'de çalışan monokromatik bir Al K α, 1 X-ışını kaynağı kullanın. Fotometronları, numune yüzeyine göre 90 ° kalkış açısı ile tespit edin.
- 83.98 eV'lik bir bağlama enerjisindeki Au 4f 7/2 fotoelektron zirvesi kullanılarak spektrometrenin enerji ölçeğini kalibre edin.
NOT: Enerjinin ölçeği, cihazın ilk devreye sokulması sırasında cihaz kontrol yazılımında ayarlanır. Ekipman bakımından sorumlu spektroskopist tarafından herhangi bir bakım işleminin ardından düzenli olarak kontrol edilir ve kullanıcılar tarafından değiştirilmemelidir.
- 83.98 eV'lik bir bağlama enerjisindeki Au 4f 7/2 fotoelektron zirvesi kullanılarak spektrometrenin enerji ölçeğini kalibre edin.
- C 1s bölgesinin üzerine bir 30-eV pencere yerleştirerek başlangıç örneğini izleyin. Elektron tabancası parametrelerini sistematik olarak ayarlayarak, Cs tepe noktasını 284.6 eV'ye ayarlamak ve tepe genişliğini, maksimum tepe noktasının yarısı kadar en aza indirmek için yük telafisini gerçekleştirin (FWHM).
- Yüzey elementel türün tanımlanması için sabit analizör iletim modunda, 0.1 s bekleme süresi ile 160 eV geçme enerjisi ve 0.5 eV basamakta anket taramalarını gerçekleştirin. 0.05 eV adımlarla ve 0.2 sn bekleme kullanarak 20 eV'lik bir geçiş enerjisiyle bölge spektrumlarını elde edin. Sinyal-gürültü oranını artırmak için 4 ila 8 süpürme arasında kullanın.
- Spektrumları ölçmek için, uygun bir elemental kütüphaneden 16 Shirley fon uyumu ve hassasiyet faktörleri kullanın.
- USO tedavi süresi ile mevcut olan farklı karbon-oksijen türlerini belirlemek için C 1s yüksek çözünürlüklü X-ışını fotoelektron spektrumlarını çözün.
- C 1s zirvesini doğru bir şekilde dekonvolüt yapmak için, sp2 yapışmasına bağlı zirve şeklinin ve düşük enerjili π-tipi bozulma uydularının katkılarının korunmasını sağlamak için grafit karbon şekline ilk zirveye oturtun> 17. Bütün zirve uyumu için, bileşen bağlanma enerjilerini ve FWHM'yi sırasıyla ± 0.1 eV ve ± 0.2 eV ile sınırlayın ve 30 Gauss / Lorentz oranı kullanın.
- Grafit zirve şeklini altı ayrı pik kullanarak yerleştirin. İşlenmiş nanomateryal 15,9,14'teki grafitik bileşen nedeniyle tutarlı bir şekil vermek için ana zirvelerin ana grafit zirvesine göre 284,6 eV'lik sabit oranlarda sabit kalmasını sağlayın.
4. Yapısal Karakterizasyon - Raman Spektroskopisi 18
- 0.1 g / L konsantrasyon elde etmek için orijinal dispersiyonun deiyonize suyla seyreltilmesiyle nanomalzemeleri Raman spektroskopik karakterizasyonu için hazırlayın. Uygun bir cilalı altın substrat üzerine 0.05 mL dispersiyon pipetleyin. Damlamanın oda sıcaklığında buharlaşmasına izin verin ve ince bir karbon filmi elde edin.Bize Raman lazer spotu.
NOT: Altın substratın büyüklüğü, büyük bir substrat kullanıldığında ortaya çıkan sonuca bağlıdır; tek bir slayda birden fazla numune katlanabilir. - Dağınık bir konfokal mikroskop ve 532 nm lazer kullanarak 50X büyütmeli objektif lensi ile Raman ölçümlerini üstlenin. 3,5 cm ve 50 cm -1 arasındaki spektrumları 2 cm " 1 çözünürlükte elde edin. Tahsilat sırasında numune bozulması meydana gelmeyecek şekilde mümkün olan maksimum enerjiyi kullanarak, 1 ila 10 mW arasında lazer enerjisi ile 50 mikron iğne deliği deliği kullanın.
- Makul bir sinyal-gürültü oranı elde etmek için, 10 ila 50 tarama arasında biriken ve her bir tarama için 2 ila 5 saniye arasında bir pozlama süresi kullanarak spektrumları toplayın.
5. Film Morfolojisi - Taramalı Elektron Mikroskopisi (SEM)
- İşlevsizleştirilmiş CNT / GNP'lerin işlevselleştirilmesine karşı SEM analizi için bir damlalığıEt herbiri deiyonize su kullanarak 0.1 g / L'ye kadar karıştırın. Bir alüminyum SEM saplama üzerine yerleştirin ve havada bir gece kurumaya bırakın.
- Paslanmaz çelik elektrotlara yerleştirilen EPD filmleri için, elektrotları 1 cm x 1 cm kareler halinde kesin ve çift taraflı iletken bant kullanarak numunelerin üzerine yerleştirin. İletken yolu geliştirmek için numunenin üst yüzeyine küçük bir çizgi gümüş dag ( örnek: iletken yapışkan / boya) boyayın. Numuneyi, bir ısıtıcı lamba altında en az 15 dakika boyunca kurutun.
- Monte edilen örneği spatula kaplayıcıya yerleştirin ve yaklaşık 1.3-1.5 nm kalınlığında iletken bir iridyum kaplaması verin 19 .
- Kalınlık ölçüm birimi üzerinde, malzeme yoğunluğunu iridyum için 22.56 g / cm 3 olan uygun seviyeye ayarlayın. Kaplama süresince termal sürüklenme oluşturduğunda, hedef kalınlık ayarını 1.0 nm'ye ayarlayarak yaklaşık 1.3-1.5 nm kalınlık elde edin.rocess.
- Kaplama ünitesini, sputter kaplama işleminin kalınlık ölçüm birimi tarafından kontrol edilmesine izin verecek şekilde ayarlayın. Yüksek çözünürlüklü bir kaplama için 80 mA olmalıdır istenilen güç çıkışı seçin 19 .
- Kalınlık kontrol ünitesinde kaplama kalınlık ölçerini sıfırlayın ve otomatik odacık boşaltma, argon kanaması / yıkama ve kaplama işlemi başlamak için "Çevrim" düğmesine basın. Güç istenilen seviyeye ulaştığında, kaplamanın başlamasına izin vermek için hedef koruyucuyu ayırın. Tüm taraflarda eşit bir kaplamayı kolaylaştırmak için kaplama esnasında sahneyi döndürün ve eğin.
- Nanomalzemeleri in-lens dedektörlü bir alan emisyon SEM kullanarak inceleyin. Yaklaşık 3 mm'lik bir çalışma mesafesi ve 3.0 kV'lık hızlanan bir voltaj kullanınız.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Şekil 3 , USO tedavisi görmüş CNT'lerin XPS geniş tarama karakterizasyonunu göstermektedir. USO'ya uğramamış olan CNT'ler neredeyse hiç oksijen içeriği göstermezler. USO zamanı arttıkça, yüzey oksijen seviyesi artar. Şekil 4 , USO zamanının bir fonksiyonu olarak oksijen-karbon oranının arttığını göstermektedir. Tablo 1 , USO ile muamele edilmiş GNP'nin atomizasyon konsantrasyonlarını gösteren dekarbonize edilmiş karbon türünü göstermektedir. Zirve uydurma, grafitten kaynaklanan tepe şekli ve ilişkili enerji kaybı özelliklerini temsil etmek için Gr1 ila Gr6 tarafından temsil edilen kısıtlı tepelerin bir kombinasyonunu kullandı. Oksijen içeren türler daha sonra ilave edildi ve mantıklı tepe uydurma sonuçlarının elde edilmesini sağlamak için C1s tepe uydurma verileri ve elemental C ve O yüzdeleri ile çapraz korelasyon yapıldı. CO, C = O ve COO türleri, USO tedavisi olmaksızın önemsiz düzeydedir; ancak12 saatlik USO ile belirgin şekilde katlandı.
USO tarafından muamele edilen CNT'lerin Raman spektrumu Şekil 5'de gösterilmektedir. 1,346 cm "de D bandının yoğunluğu, CNT 20'de kusurların varlığına işaret eder ve USO tedavisinden önce CNT'lerde zaten kusurların var olduğunu gösterir. USO muamele süresinin artmasıyla birlikte G bantında 1,576 cm -1 ila 1,582 cm -1 arasında bir değişim var, ikinci bileşen 1.618 cm -1'de daha belirgin hale geliyor. Bu, CNT'lerin oksidasyon seviyesindeki bir artışa karşılık gelir. 2,698 cm " 1'deki 2D bandın yoğunluğunda gözle görülür bir azalma ve 2.941 cm " 1'de USO işlem süresi ile D + G bandında küçük bir artış var, bu da CNT 20'de oksidasyonun arttığını gösteriyor.
D'nin G bandına yoğunluğu oranıS, I D / I G , 1.18'de USO'suz olarak ölçüldü, 155 dakika USO tedavisinden sonra 1.37'ye yükseldi ve daha büyük USO tedavi süreleri ile daha yavaş bir oranda artmaya devam etti. Bu, oksidasyonun öncelikli olarak mevcut kusurlarda olduğunu ve mevcut kusur yerleri doyurulduktan sonra doymuş olduğunu gösteriyor olabilir, daha fazla USO işlem süresinin oksitleyici etkisi daha yavaş bir hızda gerçekleşir. Bu USO'dan alınan CNT yapısına asgari zarar verildiğini göstermektedir.
Şekil 6'daki SEM görüntüleri USO ile işlemden geçirilmiş CNT'leri, muamele edilmemiş CNT'lere kıyasla göstermektedir. İşlem görmemiş CNT'ler oldukça yığılmışken, USO ile muamele edilmiş CNT'ler yüzey boyunca çok daha eşit dağılmış durumda ve USO'nun alınan materyalde bulunan aglomeraları azaltmaya yardımcı olduğunu gösteriyor.
USO ile işlemden geçirilmiş CNT'ler daha sonra çeşitli koşullar kullanılarak elektroforetik olarak çöktürüldüiyonları. Elektroforez zamanı arttıkça daha kalın filmler üretildi; Daha kalın filmler de Şekil 7'de gösterildiği gibi daha yüksek CNT konsantrasyonları kullanılarak üretildi. Benzer sonuçlar, GSMH'ler kullanıldığında elde edilmektedir. Şekil 8 , Şekil 7'deki verileri eğri uydurma yönteminden hesaplanan biriktirme oranları kullanılarak çeşitli CNT konsantrasyonlarındaki elektroforetik çökelme oranını göstermektedir. Başlangıçtaki CNT konsantrasyonu biliniyorsa, USO ile işlemden geçirilmiş CNT'lerin EPD oranının makul derecede iyi tahmin edilebileceği düşünülmektedir. Depolama hızı ve dağılım konsantrasyonundaki doğrusal ilişki, Hamaker Yasası 21'den öngörülmüştür, ancak çökelme sırasındaki logaritmik oran, çökelme parametrelerindeki değişikliklerin zamanla meydana geldiğini göstermektedir. CNT'lerin karbon 12 ve cam 13 kumaşları üzerine bırakıldığı daha önceki çalışmamız, zamanla çökelme oranının doğrusal olmadığını da açıkça gösterdi. unSabit voltaj birikiminde, CNT filminin direnci artmakta ve böylece birikim hızında bir azalma meydana gelmektedir.
Şekil 3: Kimyasal Karakterizasyon - XPS. Değişik zamanlarda USO'ya tabi tutulmuş olan CNT'ler XPS kullanılarak analiz edildi. Bu görüntü oksijen yoğunluğu artan USO zamanlarında artan oksijen (532 eV) ve karbon (284.6 eV) yoğunluğundaki geniş tarama değişikliklerini göstermektedir. Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.
Şekil 4: Atomik Oran - XPS. Bu grafik, artan USO süreleri ile CNT'lerin O: C atomik oranındaki değişimi göstermektedir;Şekil 3'te gösterilen taramalar. Ozonoliz mekanizması çok karmaşıktır ve okyanusun oksidasyon hızındaki eğilimi göstermek için okuma kılavuzluğunda polinom uyumu sağlanır, ancak ozonoliz mekanizması hakkında hiçbir şeyi açıklamaz. Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.
Şekil 5: Yapısal Karakterizasyon - Raman. Tüm spektrumlar, güçlü D bantları (~ 1,346 cm -1 ), G bantları (~ 1,576 cm -1 ), 2D bantları (~ 2,698 cm -1 ) ve D + G bantları (~ 2,941 cm -1 ) göstermiştir. D-bandı artışı, grafit kusurlarında bir miktar artış olduğunu gösterir. Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız. >
Şekil 6: Film Morfolojisi - SEM. Bu görüntüler, ( a ) kimyasal olarak işlemden geçirilmemiş ve ( b ) USO ile 16 saat süreyle işlemden geçirilmiş olan CNT'leri göstermektedir. Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.
Şekil 7: Elektroforez Ölçümleri. Bu grafik, suya dağılmış üç farklı CNT konsantrasyonunu kullanarak çökelme süresine karşı EPD filmlerinin yoğunluğunu göstermektedir. Mavi elmas = 2 g / L, kırmızı kareler = 1.5 g / L ve yeşil üçgenler = 1 g / L. Bu numuneler için 14 V / cm DC elektrik alanı kullanıldı.Jpg "target =" _ blank "> Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.
Şekil 8: Elektroforetik Döküm Hızı. Şekil 7'de film yoğunluğunun çökelme zamanına karşı eğri uyarınca hesaplanan biriktirme oranları kullanılarak EPD hızının CNT konsantrasyonlarına karşı çizimi. Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.
| isim | pozisyon | Kısıtlama | FWHM | Kısıtlama | Alan Kısıtlaması | Atomik%konsantrasyon | |
| 0 saat | 12 saat | ||||||
| Gr 1 | 284.6 | 0.1 ± | 0.7 | 0.2 ± | En uygun | 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 | GR-1 * 0.1 | 3.3 | 1.8 | ||
| Gr 6 | 291,3 | 2.4 | Gr1 * 0.2 | 6.6 | 1.7 | ||
| CC | 285 | 1.2 | En uygun | 2.1 | |||
| CO | 287 | 1.2 | En uygun | 1.5 | 14.3 | ||
| C = O | 288.6 | 1.2 | En uygun | 0.9 | 12.4 | ||
| COO | 289,4 | 1.2 | En uygun | 0.9 | 5.3 | ||
Tablo 1: Kimyasal Karakterizasyon - XPS. Bu tablo, 0 saat ve 12 saatlik muamele süreleri için USO metodu kullanılarak işlenen GNP'ler için Cs spektrumunu dekonvolüt için kullanılan tepe montaj parametrelerini göstermektedir. Ayrıca her bir türün 14 atomik konsantrasyonlarını gösterir. Gr 1, Gr 2, vb. Uygunlukta kullanılan çeşitli grafit tepelerini temsil eder.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarların açıklayacak bir şeyi yok.
Acknowledgments
Çalışmanın maaş dışındaki bileşeni Avustralya Topluluğu tarafından finanse edildi. Delaware Üniversitesi'nden yazar, ABD Ulusal Bilim Vakfı'nın (Grant # 1254540, Dr. Mary Toney, Program Direktörü) desteğini müteşekkir olarak takdir eder. Yazarlar, Bay Philip Fitzgerald'a elektroforetik çökelme ölçümleri konusunda yardımlarından dolayı teşekkür ederler.
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).
