Summary
Aqui, descreve-se um novo método para a funcionalização e dispersão estável de nanomateriais de carbono em ambientes aquosos. O ozônio é injetado diretamente em uma dispersão aquosa de nanomateriais de carbono que é continuamente recirculado através de uma célula ultra-sônica de alta potência.
Abstract
A funcionalidade dos nanomateriais de carbono é muitas vezes um passo crítico que facilita sua integração em sistemas e dispositivos de materiais maiores. Na forma assim recebida, os nanomateriais de carbono, como os nanotubos de carbono (CNTs) ou os nano plaquetas de grafeno (PNB), podem conter grandes aglomerados. Ambos os aglomerados e as impurezas diminuirão os benefícios das propriedades elétricas e mecânicas únicas oferecidas quando CNTs ou GNPs são incorporados em sistemas de polímeros ou materiais compostos. Embora existam diversos métodos para funcionarizar os nanomateriais de carbono e para criar dispersões estáveis, muitos processos utilizam produtos químicos agressivos, solventes orgânicos ou surfactantes, que são ambientalmente hostis e podem aumentar a carga de processamento ao isolar os nanomateriais para uso posterior. A pesquisa atual detalha o uso de uma técnica alternativa, ambientalmente amigável para a funcionalização de CNTs e PNBs. Produz dispersões estáveis e aquosas sem danosUl químicos. Tanto os CNT quanto os PNB podem ser adicionados à água em concentrações até 5 g / L e podem ser recirculados através de uma célula ultra-sônica de alta potência. A injeção simultânea de ozônio na célula oxida progressivamente os nanomateriais de carbono, e a ultra-sonografia combinada quebra os aglomerados e imediatamente expõe o material fresco para a funcionalização. As dispersões preparadas são ideais para a deposição de películas finas em substratos sólidos usando deposição eletroforética (EPD). CNTs e GNPs das dispersões aquosas podem ser facilmente usados para revestir fibras de reforço de carbono e vidro usando EPD para a preparação de materiais compostos hierárquicos.
Introduction
O uso de nanomateriais de carbono para modificar sistemas poliméricos e compostos tem sido intenso no interesse da pesquisa ao longo dos últimos 20 anos. Avaliações recentes sobre o uso de nanotubos de carbono 1 (CNTs) e nano plaquetas de grafeno 2 (PNBs) fornecem uma indicação da amplitude da pesquisa. A elevada rigidez e força específica de CNTs e GNPs, bem como sua alta condutividade elétrica intrínseca, tornam os materiais adequados para incorporação em sistemas poliméricos para melhorar o desempenho mecânico e elétrico dos materiais nanocompósitos. CNTs e GNPs também foram utilizados para o desenvolvimento de estruturas compostas hierárquicas, utilizando os nanomateriais de carbono para modificar a adesão interfacial de fibra e a rigidez da matriz 3 , 4 .
A dispersão homogênea de nanomateriais de carbono em sistemas poliméricos requer frequentementeEtapas de processamento, que alteram quimicamente os nanomateriais para melhorar a compatibilidade química com a matriz polimérica, remover impurezas e reduzir ou remover aglomerados dos materiais assim recebidos. Uma variedade de métodos para modificar quimicamente os nanomateriais de carbono estão disponíveis e podem incluir oxidação química molhada usando ácidos fortes 5 , 6 , modificação com surfactantes 7 , intercalação eletroquímica e esfoliação 8 , ou processamento químico seco usando processos à base de plasma 9 .
O uso de ácidos fortes no passo de oxidação de CNTs apresenta grupos funcionais de oxigênio e remove impurezas. No entanto, tem a desvantagem de reduzir significativamente o comprimento da CNT, introduzir danos nas paredes exteriores da CNT e usar produtos químicos perigosos, que precisam ser isolados do material tratado para processamento posterior 10 </ Sup>. O uso de surfactantes combinados com a ultra-sonografia oferece um método menos agressivo para preparar dispersões estáveis, mas o surfactante é muitas vezes difícil de remover do material tratado e pode não ser compatível com o polímero utilizado para preparar os materiais nanocompósitos 1 , 11 . A força da interação química entre a molécula de surfactante e CNT ou PNP também pode ser insuficiente para aplicações mecânicas. Os processos de tratamento de plasma seco realizados em condições atmosféricas podem ser adequados para a funcionalização de matrizes de CNTs, presentes em superfícies de fibra ou planar, usadas para preparar composições hierárquicas 9 . No entanto, o plasma atmosférico é mais difícil de aplicar em pós secos e não aborda os problemas com os aglomerados presentes nos nanomateriais de carbono bruto fabricados.
No presente trabalho, apresentamos uma descrição detalhada do ultra-somMétodo de ozonólise gelada (USO) que aplicamos anteriormente aos nanomateriais de carbono 12 , 13 , 14 . O processo USO é usado para preparar dispersões estáveis e aquosas que são adequadas para deposição eletroforética (EPD), tanto CNTs como GNPs em carbono e fibras de vidro. Exemplos de EPD que utilizam CNTs funcionalizados com USO para depositar filmes finos e uniformes em substratos de aço inoxidável e tecido de carbono serão fornecidos. Métodos e resultados típicos utilizados para caracterizar quimicamente os CNTs e GNPs funcionalizados também serão fornecidos, usando a espectroscopia de fotoelétrons de raio X (XPS) e a espectroscopia Raman. Será fornecida uma breve discussão dos resultados da caracterização em comparação com outras técnicas de funcionalização.
Aviso de Saúde e Segurança no Trabalho
Os efeitos da exposição a nanopartículas como CNTs, na saúde humana, não são bem compreendidos. istoRecomenda-se que sejam tomadas medidas especiais para minimizar a exposição e evitar contaminação ambiental com pós CNT. As medidas de isolamento de risco sugeridas incluem o trabalho dentro de uma armadilha HEPA e uma caixa de luvas equipada com filtro. As medidas de higiene no trabalho incluem o uso de roupas protetoras e duas camadas de luvas e a limpeza regular das superfícies usando toalhas de papel úmidas ou um aspirador de pó com um filtro HEPA para remover os pó de CNT perdidos. Os artigos contaminados devem ser embalados para eliminação de resíduos perigosos.
A exposição ao ozônio pode irritar os olhos, pulmões e sistema respiratório, e em concentrações mais elevadas pode causar danos nos pulmões. Recomenda-se que sejam tomadas medidas para minimizar a exposição pessoal e ambiental ao gás ozônio gerado. As medidas de isolamento incluem trabalhar dentro de uma chaminé. Como o fluxo de ar de retorno conterá o ozônio não utilizado, ele deve ser passado através de uma unidade de destruição de ozônio antes de liberar o atmoesfera. As dispersões que tiveram ozônio borbulharam através deles conterão algum ozônio dissolvido. Após as operações de ozonólise, permita que as dispersões permaneçam por 1 h antes de procederem ao processamento posterior, de modo que o ozônio possa sofrer decomposição natural.
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Protocol
1. Funcionalidade de CNTs e PNBs por Ozonólise ultra-sônica
- Pesar os nanomateriais em uma luva dentro de uma aspiradora equipada com filtro HEPA. Pesar a quantidade desejada de nanomateriais em um copo. Transfira para uma garrafa e adicione água ultrapura para fazer uma concentração de 1 g / L.
- Selar a garrafa com uma tampa. Ultrasonicato em um banho ultra-sônico padrão (ver Lista de materiais, freqüência: ~ 43 ± 2 kHz, potência: 60 W) para dispersar os CNTs ou PNBs.
NOTA: CUIDADO. Consulte o Aviso de Segurança e Saúde do Trabalho acima. - Forneça cuidadosamente a suspensão de nanomateriais em um balão de reator contendo uma barra de agitador magnética. Anexe uma tampa do balão do reator com orifícios suficientes para as entradas e saídas de ozônio e ultra-sons. Coloque isso em uma placa de agitação e ative o agitador magnético ajustando o seletor para evitar que as CNT se apaguem da suspensão.
- Monte o chifre ultra-sônico na célula ultra-sônica e verifique se o chifreA ponta está em boas condições. Veja a Figura 1 .
Figura 1: Sistema de ozonólise ultra-sônica. Este diagrama esquemático ilustra como conectar os vários elementos do sistema de ozonólise ultra-sônica. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
- Use tubos de silicone para conectar o reator, a célula ultra-sônica e a bomba peristáltica. Consulte a Figura 1 .
- Insira o borbulhador de ozônio no reator e conecte-o ao gerador de ozônio.
NOTA: CUIDADO. Consulte o Aviso de Segurança e Saúde do Trabalho acima. - Conecte a unidade de refrigeração líquida de recirculação a uma bobina de refrigeração (para arrefecer o reator) e ao revestimento de refrigeração por células ultra-sônica. Virar o interruptor para ligar a refrigeração líquida recirculanteG unidade para arrefecer o reator de ozônio e células ultra-sônicas. Certifique-se de que o líquido de refrigeração está fluindo através da célula ultra-sônica e do banho de resfriamento do reator.
- Use um termopar conectado à unidade de controle de chifre ultra-sônico para medir a temperatura do reator. Aguarde até que o sistema tenha esfriado a 5 ° C.
- Coloque o balão do reator com os CNTs na posição. Insira o difusor de ozônio no fundo do balão do reator de modo que ele esteja completamente submerso. Certifique-se de que o tubo de saída para a célula ultra-sônica esteja submerso pelo menos 25 mm abaixo da superfície da dispersão.
- Conecte o tubo de saída do reator à unidade de destruição de ozônio usando o mesmo tubo de silicone que na operação de bombeamento peristáltico. O uso de um borbulhador de água no lado da saída da unidade de destruição de ozônio é opcional, mas ajuda a capturar qualquer ozônio residual e fornece uma indicação de que o gerador de ozônio está conectado e está funcionando corretamente.
- Ligue o fornecimento de oxigênio ao gerador de ozônio e ajuste a válvula para atingir uma taxa de fluxo de 0,5 L / min através do gerador de ozônio.
- Ligue o gerador de ozônio girando o interruptor. Permita que ele funcione por 30-60 minutos antes do início do processo de bombeamento ou ultra-sonografia.
- Ligue a bomba peristáltica, ajuste-a para 0,67 Hz girando o botão da bomba para uma configuração de aproximadamente 5 ou 6 e assegure-se de que a dispersão da CNT flua uniformemente através da célula.
- Ligue o chifre ultra-sônico e ajuste a potência para 60 W inserindo este valor no módulo de controle no menu de operação manual.
- Na inicialização inicial, acelere a amplitude lentamente para obter a potência desejada de 60 W.
NOTA: O cuerno ultra-sônico funciona a 20 kHz. A configuração de amplitude e configuração de energia geralmente são de valores semelhantes, mas, após a inicialização inicial, a configuração de amplitude pode ser aumentada lentamente para alcançar o desejoD potência de saída de 60 W.
- Observe o processo de sonicação durante pelo menos 30 minutos para garantir o bombeamento estável e a operação de buzina ultra-sonográfica.
- Monitore o tubo flexível em contato direto com o mecanismo da bomba peristáltica para uso. Ajuste a posição do tubo pelo menos a cada 2 h para garantir que a tubagem mantenha a integridade. Substitua o tubo por cada processo separado de processamento de nanomateriais de carbono.
- Quando o tempo de processamento USO desejado tiver decorrido, pressione as opções para desligar o gerador de ozônio, o sonicador e a bomba. Mantenha a agitação até que a dispersão de nanomateriais de carbono esteja pronta para ser transferida para um recipiente selado para uso posterior na deposição eletroforética.
- Aguarde cerca de 1 h antes de transferir a dispersão para permitir que o ozônio em solução se decompõe.
- Se a eletroforese não for realizada dentro de 24 h do processamento de USO, analise novamente a dispersão de nanomateriais para minimizar o número de partículasSessão de dispersão. Insira o chifre sónico na garrafa da dispersão de nanomateriais de carbono e sonicato (como acima) durante 30 min antes da utilização.
2. Eletroforese
- Prepare três eletrodos de aço inoxidável, 60 mm (L) x 25 mm (W), de material de folha de 0,2 mm.
- Abradam os eletrodos usando lixa de óxido de alumínio P1000 com água ultrapura como lubrificante. Após a abrasão, coloque os eletrodos no banho de limpeza ultra-sônico e limpe-os por 10 min em água ultrapura.
- Coloque o eletrodo para ser usado para deposição anódica em um forno limpo a 100 ° C e secá-lo por 10 min. Mova o eletrodo para um dessecador e deixe esfriar. Pesar o eletrodo em um balanço analítico de quatro dígitos.
- Registre o peso do eletrodo em quatro casas decimais como o peso não revestido em gramas. Secar os dois eletrodos restantes e armazená-los no dessecador para uso como cátodos para oposição.
- Usando uma disposição de aperto adequada (veja a Figura 2 ), como um espaçador de plástico pequeno e não-condutor de 10 mm, montar os eletrodos, sendo usados os eletrodos externos como os cátodos e o eletrodo interno como o ânodo.
Figura 2: célula de deposição eletroforética. Esse diagrama esquemático ilustra a configuração da célula de deposição eletroforética. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
- Transfira 35 mL de dispersão de nanomateriais de carbono para um copo de 50 mL.
- Coloque o acessório de eletrodo de aço inoxidável em um suporte de retorta e abaixe lentamente os eletrodos até a profundidade total do copo. Conecte o terminal positivo da fonte de alimentação DC ao ano de aço inoxidável centralDe. Conecte o terminal negativo da fonte de alimentação CC ao cátodo externo. Conecte os dois cátodos externos usando um chumbo com clipes de jacaré.
- Se forem necessárias medidas de corrente precisas, conecte um multímetro em série com a fonte de alimentação e os eletrodos para permitir o monitoramento durante a deposição.
- Ajuste manualmente a configuração atual da fonte de alimentação CC para a corrente máxima (nominalmente, 2 A) e, em seguida, a tensão para o valor desejado para os estudos, garantindo que a saída da fonte de alimentação seja desligada. Prepare um cronômetro e ligue a fonte de alimentação para a duração requerida do revestimento.
- Para um experimento de revestimento típico, ajuste a tensão para 10 V, com os tempos de revestimento variando de 1 a 15 min. Desligue a fonte de alimentação CC e, em seguida, levante lentamente os eletrodos da dispersão, garantindo que o filme não seja perturbado.
- Desconecte os terminais dos eletrodos e inverta lentamente os eletrodos para uma orientação horizontal tO permita que o filme no ânodo seque uniformemente. Após a evaporação da umidade da película à temperatura ambiente, desmonte a fixação do eletrodo e coloque o ânodo no forno a 100 ° C para secar durante 1 h.
- Aperte e pendure o ânodo no forno para garantir que o filme não entre em contato direto com nenhuma superfície.
- Coloque o ânodo revestido de película no dessecador e deixe esfriar, e pesá-lo em um balanço analítico de quatro figuras. Grave o peso em quatro casas decimais. Subtrair o peso do ânodo não revestido para determinar a massa do filme depositado.
- Fotografe o ânodo revestido. Use um pacote de processamento de imagem adequado para medir com precisão a área do filme depositado. Use a massa e a área para registrar a densidade areal do filme em mg / cm 2 .
- Repita as etapas de revestimento e pesagem para cada tempo de deposição necessário para determinar a taxa de deposição do nanomaterial de carbono sobre o inoxidávelTeste as forças de campo específicas que estão sendo usadas.
3. Caracterização química - Espectroscopia fotoelétrica de raios-X (XPS) 15
- Para preparar as amostras para a análise XPS, descarte as dispersões aquosas de CNT da dispersão original de 1 g / L.
- Usando uma pipeta, deposite uma gota de dispersão em um disco de aço inoxidável e deixe secar a temperatura ambiente. Repita o processo até um revestimento CNT uniformemente grosso de aproximadamente 2 μm de espessura ser observado no disco. Monte o disco de aço inoxidável em talões de amostra usando fita adesiva dupla face.
- Insira as amostras na câmara de entrada da amostra e abaixe até um vácuo de 5 x 10 -7 Torr antes de transferi-la para a câmara de análise principal. Aguarde que a pressão da câmara principal atinja 5 x 10 -9 Torr antes de posicionar a amostra e realizar a análise.
- ParaSiga as condições típicas de operação para as medições XPS, use uma fonte monocromática de Al K α, 1 raio X a 150 W para iluminar uma área de 700 μm x 300 μm. Detectar fotoelétrons em ângulo de decolagem de 90 ° em relação à superfície da amostra.
- Calibre a escala de energia do espectrômetro usando o pico de fotoelétron Au 4f 7/2 com uma energia de ligação de 83,98 eV.
NOTA: A escala de energia é ajustada no software de controle do instrumento durante a inicialização do instrumento. É regularmente verificado após qualquer operação de manutenção pelo espectroscopista responsável pelo equipamento e não deve ser alterado pelos usuários.
- Calibre a escala de energia do espectrômetro usando o pico de fotoelétron Au 4f 7/2 com uma energia de ligação de 83,98 eV.
- Monitore a carga inicial da amostra posicionando uma janela de 30-eV sobre a região C 1s. Execute a compensação de carga ajustando sistematicamente os parâmetros da pistola de inundação de elétrons para posicionar o pico de C 1s em 284,6 eV e para minimizar a largura do pico na metade do pico máximo intenso Ity (FWHM).
- Realizar exames de pesquisa a 160 eV passam energia e 0,5 eV passos, com um tempo de permanência de 0,1 s, no modo de transmissão do analisador fixo para identificar as espécies elementares de superfície. Adquirir espectros de região em uma energia passada de 20 eV usando passos de 0,05-eV e uma ocupação de 0,2 s. Use entre 4 e 8 varreduras para melhorar a relação sinal-ruído.
- Para quantificar os espectros, use um ajuste de fundo de Shirley e fatores de sensibilidade de uma biblioteca elementar adequada 16 .
- Deconvule os espectros de fotoeletro de raio X de alta resolução de C 1 para determinar as diferentes espécies de carbono-oxigênio presentes com o tempo de tratamento USO 15 .
- Para desconconfortir com precisão o pico de C 1, realize um ajuste inicial do pico na forma de carbono grafico para assegurar que a forma de pico devido à ligação de sp 2 e as contribuições dos satélites de shake-up de baixa energia π sejam mantidas> 17. Para todos os ajustes de pico, restringem as energias de ligação de componentes e FWHM por ± 0.1 eV e ± 0.2 eV, respectivamente, e usam uma razão gaussiana / Lorentziana de 30.
- Ajustar a forma do pico de grafite usando seis picos separados. Mantenha em proporções fixas as áreas de cada pico em relação ao pico de grafite principal em 284,6 eV para manter uma forma consistente devido ao componente grafico no nanomaterial processado 15 , 9 , 14 .
4. Caracterização estrutural - Espectroscopia Raman 18
- Prepare os nanomateriais para a caracterização espectroscópica Raman, diluindo a dispersão original com água desionizada para atingir uma concentração de 0,1 g / L. Pipetar 0,05 mL de dispersão sobre um substrato de ouro polido adequado. Permitir que a gota de gotículas se evapore à temperatura ambiente para produzir um filme de carbono fino no qual a focNós o ponto laser Raman.
NOTA: O tamanho do substrato de ouro é incidental ao resultado quando um grande substrato é usado, vários espécimes podem ser depositados em um único slide. - Execute medidas Raman com uma lente de objetivo de ampliação 50X usando um microscópio confocal dispersivo e um laser de 532 nm. Adquirir os espectros entre 3.500 e 50 cm -1 com uma resolução de 2 cm -1 . Use uma abertura de fuso pinhole de 50 μm com uma energia laser entre 1 e 10 mW, usando a máxima energia possível, de modo que não haja degradação da amostra durante a coleta.
- Colete os espectros acumulando entre 10 e 50 varreduras e usando um tempo de exposição entre 2 e 5 s para cada varredura individual para alcançar uma relação sinal / ruído razoável.
5. Morfologia do filme - Microscopia eletrônica de varredura (SEM)
- Para a análise de SEM de CNT / GNPs funcionalizados versus não funcionalizados, diluir uma droplEt de cada dispersão para 0,1 g / L usando água desionizada. Deite-o em um talão SEM de alumínio e deixe secar no ar durante a noite.
- Para os filmes de EPD depositados nos eletrodos de aço inoxidável, corte os eletrodos em quadrados de 1 cm x 1 cm e monte-os sobre talões de amostra usando fita adesiva dupla face. Pinte uma pequena linha de dag de prata ( ou seja, adesivo / tinta condutor) do talão de amostra na superfície superior da amostra para melhorar o caminho condutor. Secar a amostra sob uma lâmpada do aquecedor por pelo menos 15 min.
- Coloque o espécime montado na máquina de limpeza por pulverização e dê-lhe um revestimento de irídio condutor de aproximadamente 1,3-1,5 nm de espessura 19 .
- Na unidade de medição de espessura, defina a densidade do material para o nível apropriado, que é 22,56 g / cm 3 para irídio. Ajuste a configuração da espessura do alvo para 1,0 nm para dar uma espessura de aproximadamente 1,3-1,5 nm quando contabilizar a deriva térmica durante o revestimento pRocess.
- Coloque a unidade de revestimento para permitir que a operação da máquina de pulverização seja controlada pela unidade de medição de espessura. Selecione a saída de energia desejada, que deve ser de 80 mA para um revestimento de alta resolução 19 .
- Limite o medidor de espessura do revestimento na unidade de controle de espessura e pressione o botão "Ciclo" para iniciar a evacuação automatizada da câmara, purga de argônio / descarga e sequência de revestimento. Quando a energia atingiu o nível desejado, afaste o escudo alvo para permitir que o revestimento comece. Gire e incline o palco durante o revestimento para facilitar um revestimento uniforme em todos os lados.
- Examine os nanomateriais usando uma SEM de emissão de campo com um detector na lente. Use uma distância de trabalho de aproximadamente 3 mm e uma tensão de aceleração de 3,0 kV.
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Representative Results
A Figura 3 mostra a caracterização XPS de larga varredura de CNTs que sofreram tratamento USO. CNTs que não sofreram USO mostram quase nenhum teor de oxigênio. À medida que o tempo USO aumenta, o nível de oxigênio da superfície aumenta. Figura 4 gráficos que a relação oxigênio a carbono aumenta em função do tempo USO. A Tabela 1 mostra as concentrações atômicas das espécies de carbono descontroladas do PNB tratado com USO. O ajuste de pico usou uma combinação de picos restritos, representados por Gr1 a Gr6, para representar a forma de pico inerente devido a grafite e os recursos de perda de energia associados 17 . As espécies contendo oxigênio foram então adicionadas e uma correlação cruzada com os dados de ajuste de pico de C 1 e as porcentagens elementares de C e O foi feita para garantir que os resultados de ajuste de pico sensíveis foram alcançados. As espécies CO, C = O e COO estão em níveis insignificantes sem tratamento USO, mas emQuebrou acentuadamente com 12 h de USO.
Os espectros Raman de CNTs tratados pela USO são mostrados na Figura 5 . A intensidade da banda D em 1.346 cm -1 indica a presença de defeitos nos CNTs 20 e indica que já existiam defeitos nos CNTs antes do tratamento USO. Com o aumento do tempo de tratamento de USO, há uma mudança na banda G, de 1.576 cm -1 a 1.582 cm -1 , com um segundo componente tornando-se mais pronunciado a 1.618 cm -1 . Isso corresponde a um aumento no nível de oxidação dos CNTs. Há também uma diminuição notável na intensidade da banda 2D a 2.698 cm -1 e um pequeno aumento na faixa D + G a 2.941 cm -1 com tempo de tratamento USO, indicando um aumento do nível de oxidação nas CNTs 20 .
A relação de intensidade da banda D para GS, I D / I G , foi medido em 1,18 sem USO, aumentou para 1,37 após 155 min do tratamento USO e continuou a aumentar a uma taxa muito mais lenta com tempos de tratamento maiores da USO. Isso pode indicar que a oxidação está ocorrendo principalmente em defeitos existentes, e uma vez que os sites de defeitos existentes estão saturados, o efeito oxidante do tempo de tratamento de USO adicional ocorre a uma taxa mais lenta. Isso sugere que há danos mínimos para a estrutura CNT como recebida da USO.
As imagens de SEM na Figura 6 mostram CNT tratados com USO em comparação com CNTs não tratados. Os CNTs não tratados são altamente agrupados, enquanto os CNT tratados com USO são muito mais uniformemente dispersos em toda a superfície, mostrando que o USO ajudou a reduzir os aglomerados presentes no material assim recebido.
Os CNT tratados com USO foram então depositados eletroforéticamente usando uma variedade de condiçõesÍons. Filmes mais espessos foram produzidos à medida que o tempo de eletroforese aumentou; Filmes mais espessos também foram produzidos usando concentrações maiores de CNT, como mostrado na Figura 7 . Resultados semelhantes são alcançados quando os GNPs são usados. A Figura 8 mostra a taxa de deposição eletroforética em várias concentrações de CNT, utilizando taxas de deposição calculadas a partir da curva de ajuste dos dados na Figura 7 . Parece que a taxa de EPD de CNT tratados com USO pode ser predita razoavelmente bem se a concentração inicial de CNT for conhecida. A relação linear na taxa de deposição e na concentração da dispersão está prevista na Lei Hamaker 21 , mas a taxa logarítmica na deposição mostra que as mudanças nos parâmetros de deposição estão ocorrendo com o tempo. Nosso trabalho anterior, no qual os CNTs foram depositados em tecidos de carbono 12 e vidro 13 , também mostrou claramente que a taxa de deposição com o tempo não é linear. UnA deposição de voltagem constante, a resistência do filme CNT aumenta, levando a uma redução na taxa de deposição.
Figura 3: Caracterização química - XPS. Os CNT que foram submetidos a USO por vários tempos foram analisados usando XPS. Esta imagem mostra as amplas alterações de varredura na intensidade de oxigênio (532 eV) e carbono (284,6 eV), com a intensidade do oxigênio aumentando nos tempos USO mais altos. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4: Relação Atômica - XPS. Este gráfico mostra a alteração na relação atômica O: C dos CNTs com o aumento dos tempos USO, calculado a partir doVarreduras mostradas na Figura 3 . O mecanismo de ozonólise é muito complexo, e o ajuste polinomial é fornecido, como guia para o leitor, para mostrar a tendência da taxa de oxidação, mas não para explicar nada sobre o mecanismo de ozonólise. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 5: Caracterização Estrutural - Raman. Todos os espectros apresentaram bandas D fortes (~ 1,346 cm -1 ), bandas G (~ 1,576 cm -1 ), bandas 2D (~ 2,698 cm -1 ) e bandas D + G (~ 2,941 cm -1 ). O aumento da banda D indica algum aumento nos defeitos grafíticos. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. >
Figura 6: Morfologia do filme - SEM. Essas imagens mostram CNTs que foram ( a ) não tratados quimicamente e ( b ) tratados com USO por 16 h. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 7: Medições de eletroforese. Este gráfico mostra a densidade dos filmes de EPD versus o tempo de deposição usando três concentrações diferentes de CNTs dispersas em água. Diamantes azuis = 2 g / L, quadrados vermelhos = 1,5 g / L e triângulos verdes = 1 g / L. Foi utilizado um campo elétrico de CC de 14 V / cm para essas amostras.Jpg "target =" _ blank "> Clique aqui para ver uma versão maior deste número.
Figura 8: Taxa de deposição eletroforética. Lote da taxa de EPD em relação às concentrações de CNT, usando taxas de deposição calculadas a partir do ajuste de curva do gráfico da Figura 7 da densidade do filme versus tempo de deposição. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
| Nome | Posição | Limitação | FWHM | Limitação | Restrição de área | % AtômicoConcentração | |
| 0 h | 12 h | ||||||
| Gr 1 | 284.6 | ± 0,1 | 0,7 | ± 0,2 | Melhor ajuste | 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 | Melhor ajuste | 2.1 | |||
| CO | 287 | 1.2 | Melhor ajuste | 1,5 | 14.3 | ||
| C = O | 288.6 | 1.2 | Melhor ajuste | 0,9 | 12.4 | ||
| COO | 289.4 | 1.2 | Melhor ajuste | 0,9 | 5,3 | ||
Tabela 1: Caracterização química - XPS. Esta tabela mostra os parâmetros de ajuste de pico utilizados para desconvoluir o espectro C 1s para os PNB processados usando o método USO durante tempos de tratamento de 0 h e 12 h. Também mostra as concentrações atômicas resultantes de cada espécie 14 . Gr 1, Gr 2, etc. representam os vários picos de grafite usados no encaixe.
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Disclosures
Os autores não têm nada a revelar.
Acknowledgments
O componente não salarial do trabalho foi financiado pela Commonwealth da Austrália. O autor da Universidade de Delaware agradece o apoio da US National Science Foundation (Grant # 1254540, Dr. Mary Toney, Diretor de Programa). Os autores agradecem ao Sr. Mark Fitzgerald por sua assistência com as medidas de deposição eletroforética.
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 |
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