Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Environment
Click here for the English version

Environment

Funksjonalisering og dispersjon av karbonnanomaterialer ved bruk av en miljøvennlig ultrasonisert ozonolyseprosess

Published: May 30, 2017 doi: 10.3791/55614
Automatic Translation
1, 2, 3, 4,5,6, 1
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

Summary

Her beskrives en ny metode for funksjonalisering og stabil dispersjon av karbonnanomaterialer i vandige miljøer. Ozon injiseres direkte inn i en vandig dispersjon av karbonnanomaterial som kontinuerlig resirkuleres gjennom en kraftig ultralydcelle.

Abstract

Funksjonalisering av karbon nanomaterialer er ofte et kritisk trinn som letter integrasjonen i større materielle systemer og enheter. I den mottatte form kan karbonnanomaterialer, slik som karbonnanorør (CNT) eller grafen nanoplateletter (BNP), inneholde store agglomerater. Begge agglomerater og urenheter vil redusere fordelene med de unike elektriske og mekaniske egenskapene som tilbys når CNT eller BNP er innlemmet i polymerer eller komposittmaterialesystemer. Mens en rekke metoder eksisterer for å funksjonalisere karbon nanomaterialer og for å skape stabile dispersjoner, bruker mange prosesser sterke kjemikalier, organiske løsningsmidler eller overflateaktive stoffer, som er miljøvennlige og kan øke prosessbyrden når de isolerer nanomaterialene til senere bruk. Den nåværende forskningen beskriver bruken av en alternativ, miljøvennlig teknikk for funksjonalisering av CNT og BNP. Det gir stabile, vandige dispersjoner fri for skadeUl kjemikalier. Både CNT og BNP kan tilsettes til vann i konsentrasjoner på opptil 5 g / L og kan resirkuleres gjennom en kraftig ultralydcelle. Samtidig injeksjon av ozon inn i cellen oksyderer karbon nanomaterialene progressivt, og den kombinerte ultralyden bryter ned agglomerater og avslører umiddelbart nytt materiale for funksjonalisering. De fremstilte dispersjoner er ideelt egnet for avsetning av tynne filmer på faste underlag ved anvendelse av elektroforetisk avsetting (EPD). CNT og BNP fra de vandige dispersjonene kan lett benyttes til å belegge karbon- og glassforsterkende fibre ved anvendelse av EPD for fremstilling av hierarkiske komposittmaterialer.

Introduction

Bruken av karbon nanomaterialer for å modifisere polymere og kompositte systemer har hatt intensiv forskningsinteresse de siste 20 årene. Nylige omtaler om bruk av karbonnanorør 1 (CNT) og grafen nanoplatelets 2 (BNP) gir en indikasjon på forskningsbredden. Den høye spesifikke stivheten og styrken til CNT og BNP, samt deres høye elektriske ledningsevne, gjør materialene ideelt egnet for innlemming i polymersystemer for å forbedre både den mekaniske og elektriske ytelsen til de nanokomposittmaterialene. CNT og BNP har også blitt brukt til utvikling av hierarkiske komposittstrukturer ved bruk av karbonnanomaterialene for å modifisere både fibergrensadhesjon og matrisestivhet 3 , 4 .

Den homogene dispersjon av karbonnanomaterialer i polymersystemer krever ofteProsesseringstrinn som kjemisk forandrer nanomaterialene for å forbedre kjemisk kompatibilitet med polymermatrisen, fjerne urenheter og redusere eller fjerne agglomerater fra de mottatte materialer. En rekke metoder for kjemisk modifisering av karbonnanomaterialer er tilgjengelige og kan omfatte våt kjemisk oksydasjon ved bruk av sterke syrer 5 , 6 , modifisering med overflateaktive midler 7 , elektrokjemisk interkalering og eksfoliering 8 eller tørkemessig behandling ved hjelp av plasmabaserte prosesser 9 .

Bruken av sterke syrer i oksydasjonstrinnet av CNTs introduserer oksygenfunksjonelle grupper og fjerner urenheter. Imidlertid har den ulempen med betydelig reduksjon av CNT lengden, innføring av skader på CNT yttervegger og bruk av farlige kjemikalier, som må isoleres fra det behandlede materialet for videre behandling 10 </ Sup>. Bruken av overflateaktive stoffer kombinert med ultralydbehandling gir en mindre aggressiv metode for å fremstille stabile dispersjoner, men det overflateaktive middel er ofte vanskelig å fjerne fra det behandlede materialet og kan ikke være kompatibelt med polymeren som brukes til å fremstille nanokomposittmaterialene 1 , 11 . Styrken av den kjemiske samspillet mellom det overflateaktive molekylet og CNT eller BNP kan også være utilstrekkelig for mekaniske anvendelser. Tørre plasmabehandlingsprosesser utført under atmosfæriske forhold kan være egnet for funksjonalisering av arrays av CNT, presentert på fiber eller plane overflater, som brukes til å forberede hierarkiske kompositter 9 . Det atmosfæriske plasmaet er imidlertid vanskeligere å påføre på tørre pulver og tar ikke opp problemene med agglomerater som er tilstede i as-produserte råkarbonnanomaterialer.

I dagens arbeid presenterer vi en detaljert beskrivelse av ultralydetIcated-ozonolysis (USO) metode som vi tidligere har brukt på karbon nanomaterialer 12 , 13 , 14 . USO-prosessen brukes til å fremstille stabile, vandige dispersjoner som er egnet for elektroforetisk avsetting (EPD) både CNT og BNP på karbon- og glassfiber. Eksempler på EPD ved bruk av USO-funksjonaliserte CNT-er for å avsette tynne, ensartede filmer på rustfritt stål og karbon-stoffsubstrater vil bli gitt. Metoder og typiske resultater som brukes til å kjemisk karakterisere de funksjonaliserte CNTene og BNPene, vil også bli gitt ved hjelp av både røntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) og Raman-spektroskopi. En kort diskusjon av karakteriseringsresultater i sammenligning med andre funksjonaliseringsteknikker vil bli gitt.

Arbeid Helse- og sikkerhetsmelding

Effektene av eksponering for nanopartikler som CNT, på menneskers helse, er ikke godt forstått. DenDet anbefales at det tas spesielle tiltak for å minimere eksponering for og unngå miljøforurensning med CNT-pulver. Foreslåtte fareisolasjonsmålinger inkluderer arbeid i et HEPA-filterutstyrt kokeskap og / eller hanskefelt. Yrkesmessige hygienetiltak omfatter å bruke beskyttelsesklær og to lag med hansker og utføre regelmessig rengjøring av overflater ved hjelp av fuktige papirhåndklær eller støvsuger med HEPA-filter for å fjerne svale CNT-pulver. Forurensede gjenstander skal pakkes inn for avhending av farlig avfall.

Eksponering for ozon kan irritere øynene, lungene og luftveiene, og ved høyere konsentrasjoner kan det forårsake lungeskader. Det anbefales at det treffes tiltak for å minimere personlig og miljømessig eksponering for generert ozongass. Isolasjonsmålinger inkluderer å jobbe i et skap. Ettersom returluftsstrømmen vil inneholde ubrukt ozon, skal det føres gjennom en ozon destruktorenhet før den slippes ut i atmosfærensfære. Dispersjoner som har fått ozon boblet gjennom dem, vil inneholde noe oppløst ozon. Etter ozonolyse-operasjoner, la dispersjonene sitte i 1 time før ytterligere behandling, slik at ozonet kan gjennomgå naturlig nedbrytning.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Funksjonalisering av CNT og BNP ved ultrasonisk ozonolyse

  1. Veier nanomaterialene i en hanskerasse inne i et HEPA-filterutrustet kokeskap. Veie ønsket mengde nanomaterialer i et beger. Overfør til en flaske og legg til ultralitt vann for å gi en konsentrasjon på 1 g / L.
  2. Tetning flasken med lokket. Ultralyd i et standard ultralydbad (se Materialeliste, frekvens: ~ 43 ± 2 kHz, effekt: 60 W) for å spre CNT eller BNP.
    MERK: FORSIKTIG. Se arbeidshelsen og sikkerhetsbekreftelsen ovenfor.
  3. Helt forsiktig nanomaterialsuspensjonen i en reaktorkolbe inneholdende en magnetisk omrørerstang. Fest et reaktorkolbeksel med tilstrekkelige porter for ozon- og ultralydhorninngangene og uttakene. Plasser dette på en omrøringsplate og slå på magnetomrører ved å justere dreiebryteren for å forhindre at CNTene løsner seg ut av suspensjonen.
  4. Monter ultralydhornet i ultralydscellen og kontroller at hornetTipset er i god stand. Se figur 1 .

Figur 1
Figur 1: Ultrasonisk ozonolysesystem. Dette skjematiske diagrammet illustrerer hvordan man kobler de forskjellige elementene til ultralydsonzonolysesystemet. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

  1. Bruk silikonrør for å koble reaktoren, ultralydcellen og peristaltpumpen. Se figur 1 .
  2. Sett ozonbobleren inn i reaktoren og koble den til ozongeneratoren.
    MERK: FORSIKTIG. Se arbeidshelsen og sikkerhetsbekreftelsen ovenfor.
  3. Koble den resirkulerende væskekjølerenheten til en kjølespole (for å avkjøle reaktoren) og til ultralydcelle-kjølekappen. Vri bryteren for å slå på den resirkulerende væskekjølingenG-enhet for å avkjøle ozonreaktoren og ultralydcellen. Sørg for at kjølevæsken strømmer gjennom både ultralydcellen og reaktorkjølebadet.
    1. Bruk et termoelement som er koblet til ultralydhornkontrollenheten for å måle reaktortemperaturen. Vent til systemet har avkjølt til 5 ° C.
  4. Plasser reaktorkolben med CNTene på plass. Sett ozon diffusoren i bunnen av reaktorkolben slik at den er helt nedsenket. Sørg for at utløpsrøret til ultralydcellen er nedsenket minst 25 mm under overflaten av dispersjonen.
    1. Koble utløpsrøret fra reaktoren til ozon destruktorenheten ved hjelp av samme silikonrør som i peristaltisk pumpeoperasjon. Bruk av en vannbobler på utløpssiden av ozon destruktorenheten er valgfri, men det bidrar til å fange opp resterende ozon og gir en indikasjon på at ozongeneratoren er tilkoblet og fungerer riktig.
  5. Slå på oksygenforsyningen til ozongeneratoren og juster ventilen for å oppnå en 0,5-l / min strømningshastighet gjennom ozongeneratoren.
  6. Slå på ozongeneratoren ved å vri bryteren. La det løpe i 30-60 minutter før du starter pumpingen eller ultralydprosessen.
  7. Slå på peristaltisk pumpe, juster den til 0.67 Hz ved å dreie pumpehjulet til en innstilling på ca. 5 eller 6, og sørg for at CNT-spredningen strømmer jevnt gjennom cellen.
    1. Slå på ultralydhornet og juster effekten til 60 W ved å legge inn denne verdien i kontrollmodulen under manuell betjeningsmeny.
    2. Ved oppstart, rampe opp amplitudinnstillingen langsomt for å oppnå ønsket effekt på 60 W.
      MERK: Ultralydhornet opererer ved 20 kHz. Amplitudinnstillingen og strøminnstillingen er vanligvis av liknende verdier, men ved oppstart kan amplitudeinnstillingen kanskje økes sakte for å oppnå ønsketD effekt ute på 60 W.
  8. Følg sonikasjonsprosessen i minst 30 minutter for å sikre stabil pumping og ultralyd hornoperasjon.
  9. Overvåk det fleksible slangen i direkte kontakt med peristaltisk pumpe mekanisme for slitasje. Juster rørposisjonen minst hver 2. time for å sikre at slangen opprettholder integritet. Bytt rør for hver separat karbon nanomaterialbehandlingsløp.
  10. Når ønsket USO-behandlingstid er gått, trykk på bryterne for å slå av ozongeneratoren, sonikatoren og pumpen. Opprettholder omrøring til karbonnanomaterialdispersjonen er klar til overføring til en forseglet beholder for senere bruk ved elektroforetisk avsetting.
    1. Vent ca 1 time før dispersjonen overføres slik at ozon i løsningen kan brytes ned.
  11. Hvis elektroforese ikke utføres innen 24 timer med USO-behandling, sonikere nanomaterialdispersjonen igjen for å minimere antall partiklerS bosetting ut av spredning. Sett sonichornet inn i flasken av karbonnanomaterialdispersjonen og sonikatet (som ovenfor) i 30 minutter før bruk.

2. Elektroforese

  1. Forbered tre rustfritt stål elektroder, 60 mm (L) x 25 mm (W), fra 0,2 mm arkmateriale.
    1. Abrade elektrodene ved å bruke P1000 aluminiumoxid sandpapir med ultratap vann som smøremiddel. Følg slitasje, plasser elektrodene i ultralydsrengjøringsbadet og rengjør dem i 10 minutter i ultratydsvann.
  2. Plasser elektroden som skal brukes til anodisk avsetting i en ren ovn ved 100 ° C og tørk den i 10 minutter. Flytt elektroden til en ekssikator og la den avkjøles. Vei elektroden på en 4-sifret analytisk balanse.
  3. Legg inn elektrodenes vekt til fire desimaler som ubelagt vekt i gram. Tørk de resterende to elektrodene og lagre dem i ekssikatoren for bruk som katoder for deposisjon.
  4. Ved hjelp av et passende klemmearrangement (se figur 2 ), som en liten skrue og 10 mm ikke-ledende plastavstandsstykker, monterer elektrodene, idet de ytre elektroder blir brukt som katodene og den indre elektroden som anoden.

Figur 2
Figur 2: Elektroforetisk deponeringscelle. Dette skjematiske diagrammet illustrerer konfigurasjonen av den elektroforetiske deponeringscellen. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

  1. Overfør 35 ml karbonnanomaterialdispersjon til et 50 ml beger.
  2. Plasser rustfritt stål elektrodearmaturen på en retortstativ og senk elektrodene sakte ned til full bunndybde. Fest den positive terminalen til likestrømforsyningen til det sentrale rustfritt stål anode. Fest den negative terminalen til likestrømforsyningen til den ytre katoden. Koble de to ytre katodene med en ledning med alligatorklemmer.
  3. Hvis nøyaktige nåværende målinger kreves, koble et multimeter i serie med strømforsyningsenheten og elektrodene for å muliggjøre overvåking under avsetning.
  4. Juster gjeldende innstilling på likestrømforsyningen manuelt til maksimal strøm (nominelt 2 A) og deretter spenningen til ønsket verdi for studiene, slik at strømforsyningsutgangen slås av. Klargjør et stoppeklokke og slå på strømforsyningen for den nødvendige belegningsvarigheten.
  5. For et typisk beleggingsforsøk, juster spenningen til 10 V, med belegningstider i området fra 1 til 15 min. Slå av strømforsyningen og løft deretter elektrodene langsomt ut av dispersjonen, slik at filmen ikke forstyrres.
  6. Koble klemmene fra elektrodene og snu langsomt elektrodene til en horisontal retning tO la filmen på anoden tørke jevnt. Etter at fuktigheten har fordampet fra filmen ved romtemperatur, demonter elektrodearmaturen og plasser anoden i ovnen ved 100 ° C for å tørke i 1 time.
    1. Klem og heng anoden i ovnen for å sikre at filmen ikke kommer i direkte kontakt med overflater.
  7. Plasser den filmbelagte anoden i ekssikatoren og la den avkjøles, og vei den på en firefigers analytisk balanse. Legg inn vekten til fire desimaler. Trekk vekten av den ikke-belagte anoden for å bestemme massen av den avsatte filmen.
  8. Fotografer den belagte anoden. Bruk en egnet bildebehandlingspakke for å måle området på den avsatte filmen nøyaktig. Bruk massen og området til å ta opp arealdensiteten til filmen i mg / cm 2 .
  9. Gjenta belegget og veietrinnene for hver avsetningstid som kreves for å bestemme avsetningshastigheten av karbonnanomaterialet på det rustfrie sTeel for de spesifikke feltstyrker som brukes.

3. Kjemisk karakterisering - Røntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) 15

  1. For å klargjøre prøvene for XPS analyse, dråpe støp de vandige CNT dispersjonene fra den opprinnelige 1 g / l dispersjonen.
    1. Bruk en pipette, legg en dråpe av dispersjonen på en rustfritt stålplate og la den tørke ved romtemperatur. Gjenta prosessen til et jevnt tykt CNT belegg på ca. 2 μm i tykkelse blir observert på disken. Monter disken i rustfritt stål på prøvestubber ved bruk av dobbeltsidig ledende tape.
  2. Sett prøvene inn i prøveinngangskammeret og pump ned til et vakuum på 5 x 10-7 Torr før du overfører det til hovedanalysekammeret. Vent til hovedkammertrykket når 5 x 10-9 Torr før du plasserer prøven og foretar analysen.
  3. TilFølg de typiske driftsforholdene for XPS-målingene, bruk en monokromatisk Al K α, 1 røntgenkilde som opererer ved 150 W for å belyse et område på 700 μm x 300 μm. Registrer fotoelektroner ved en 90 ° startvinkel med hensyn til prøveoverflaten.
    1. Kalibrere spektrometer energi skala ved hjelp av Au 4f 7/2 fotoelektron topp ved en bindingsenergi på 83,98 eV.
      MERK: Energiskalaen er justert i instrumentstyringsprogramvaren under første bruk av instrumentet. Det kontrolleres jevnlig etter eventuelle vedlikeholdsoperasjoner av spektroskoperen som har ansvaret for utstyret, og bør ikke endres av brukerne.
  4. Overvåk opprinnelig prøveavgift ved å plassere et 30-eV-vindu over C 1s-regionen. Utfør ladningskompensasjon ved å justere elektronflompistolparametrene systematisk for å plassere C 1s-toppen ved 284,6 eV og for å minimere toppbredden ved halv maksimal toppintensjon Ity (FWHM).
  5. Gjennomfør undersøkelseskanninger ved 160 eV pass energi og 0,5 eV trinn, med en oppholdstid på 0,1 s, i fast analysator overføringsmodus for å identifisere overflateelementene. Oppnå regionspektra ved 20 eV pass energi ved hjelp av 0,05-eV trinn og 0,2 s dwell. Bruk mellom 4 og 8 feier for å forbedre signal-støyforholdet.
    1. For å kvantifisere spektraene, bruk en Shirley bakgrunnspassform og følsomhetsfaktorer fra et egnet elementarbibliotek 16 .
  6. Deconvolve C 1s høyoppløselige røntgenfotoelektronspektre for å bestemme de forskjellige karbon-oksygenarter som er tilstede ved USO behandlingstid 15 .
    1. For å nøyaktig dekonvoluere C1s-toppen, utfør en innledende topppasning i form av grafittkarbon for å sikre at toppformen på grunn av sp2-bindingen og bidragene fra lav-energi-n-type-oppsamlingssatellittene opprettholdes> 17. For alle toppmontering begrenser komponentbindingsenergiene og FWHM med henholdsvis ± 0,1 eV og ± 0,2 eV, og bruker et Gaussisk / Lorentzian-forhold på 30.
    2. Monter grafitt toppformen ved hjelp av seks separate topper. Opprettholde ved faste forhold områdene av hver topp i forhold til hovedgrafitoppen ved 284,6 eV for å opprettholde en konsistent form på grunn av grafittkomponenten i det behandlede nanomaterialet 15 , 9 , 14 .

4. Strukturell karakterisering - Ramanspektroskopi 18

  1. Forbered nanomaterialene for Raman spektroskopisk karakterisering ved å fortynne den opprinnelige dispersjonen med deionisert vann for å oppnå en 0,1 g / L konsentrasjon. Pipetter 0,05 ml dispersjon på et egnet polert-gull-substrat. La dråpen fordampe ved romtemperatur for å produsere en tynn karbonfilm som skal focOss Raman laser spot.
    MERK: Størrelsen på gullsubstratet er uavhengig av resultatet når et stort substrat brukes, flere eksemplarer kan deponeres på et enkelt lysbilde.
  2. Ta Raman målinger med en 50x forstørrelses objektiv linse ved hjelp av et spredt konfokalt mikroskop og en 532 nm laser. Oppnå spektrene mellom 3.500 og 50 cm -1 ved en oppløsning på 2 cm -1 . Bruk en 50 μm pinhullåpning med en laser energi mellom 1 og 10 mW, ved å bruke den maksimale energien, slik at det ikke oppstår prøvetrykk under samlingen.
    1. Samle spektrene ved å samle mellom 10 og 50 skanninger, og bruk en eksponeringstid mellom 2 og 5 s for hver enkelt skanning for å oppnå et rimelig signal-støyforhold.

5. Filmmorfologi - Skanningelektronmikroskopi (SEM)

  1. For SEM-analysen av funksjonaliserte versus ufunksjonaliserte CNT / BNP, fortynne en dråpeEt av hver dispersjon til 0,1 g / l ved anvendelse av deionisert vann. Sett det på en aluminium SEM-stub og la det tørke i luften over natten.
  2. For EPD-filmer avsatt på rustfritt stål-elektrodene, kutt elektrodene i 1 cm x 1 cm kvadrater og fest dem på prøve stubber ved bruk av dobbeltsidig ledende tape. Mal en liten linje med sølvdag ( dvs. ledende lim / maling) fra prøveproppen på prøveens øverste overflate for å forbedre den ledende banen. Tør prøven under en varmelampe i minst 15 minutter.
  3. Plasser den monterte prøven i sputtercoateren og gi den et ledende iridiumbelegg ca 1,3-1,5 nm tykt 19 .
    1. På tykkelsesmåleenheten må du sette materialets tetthet til riktig nivå, som er 22,56 g / cm3 for iridium. Juster måltykkelsesinnstillingen til 1,0 nm for å gi en tykkelse på ca. 1,3-1,5 nm når det regnes for termisk drift under belegget process.
    2. Still belegningsenheten slik at sputtercoater-operasjonen styres av tykkelsesmåleenheten. Velg ønsket effekt, som skal være 80 mA for et høyoppløsningsbelegg 19 .
    3. Null beleggets tykkelsesmåler på tykkelsesstyringsenheten og trykk på "Cycle" -knappen for å starte den automatiserte kammerevakuering, argonbløt / flush og belegningssekvens. Når kraften har nådd ønsket nivå, flytte du målskjermen til side for å la belegget starte. Roter og vipp scenen under belegget for å lette et jevnt belegg på alle sider.
  4. Undersøk nanomaterialene ved å bruke en feltemissions-SEM med en objektivdetektor. Bruk en arbeidsavstand på ca. 3 mm og en akselerasjonsspenning på 3,0 kV.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figur 3 viser XPS widescanning karakterisering av CNT som hadde gjennomgått USO behandling. CNT som ikke hadde gjennomgått USO, viser nesten ingen oksygeninnhold. Når USO-tiden øker, øker overflaten oksygenivået. Figur 4 viser at oksygen-til-karbonforholdet øker som en funksjon av USO-tiden. Tabell 1 viser dekonfonterte karbonarter atomkonsentrasjoner av BNP behandlet med USO. Toppfitting brukte en kombinasjon av begrensede topper, representert ved Gr1 til Gr6, for å representere den iboende toppformen på grunn av grafitt og de tilhørende energitapfunksjonene 17 . Den oksygenholdige arten ble deretter tilsatt, og en krysskorrelasjon med C1s toppfittingdata og de elementære C og O-prosenter ble gjort for å sikre at fornuftige toppfittingresultater ble oppnådd. CO-, C = O- og COO-artene er på ubetydelige nivåer uten USO-behandling, men iKrøp markert med 12 timer USO.

Ramanspektre av CNTs behandlet av USO er vist i figur 5 . Intensiteten til D-båndet ved 1,346 cm -1 betegner nærværet av defekter i CNT-ene 20 og indikerer at defekter allerede eksisterte i CNTene før USO-behandlingen. Med økende USO behandlingstid, er det et skifte i G-båndet, fra 1,576 cm -1 til 1 582 cm -1 , med en andre komponent som blir mer uttalt ved 1618 cm -1 . Dette tilsvarer en økning i oksydasjonsnivået til CNTene. Det er også en merkbar reduksjon i intensiteten til 2D-båndet ved 2.698 cm -1 og en liten økning i D + G-båndet på 2,941 cm -1 med USO-behandlingstid, noe som indikerer et økt nivå av oksidasjon i CNT-ene 20 .

Intensitetsforholdet mellom D og G-båndetS, I D / I G , ble målt til 1,18 uten USO, økt til 1,37 etter 155 min USO-behandling, og fortsatte å øke med en mye langsommere hastighet med større USO behandlingstider. Dette kan tyde på at oksidasjon forekommer primært ved eksisterende feil, og når de eksisterende defektstedene er mettede, oppstår oksidasjonsvirkningen av ytterligere USO-behandlingstid ved en langsommere hastighet. Dette antyder at det er minimal skade på den mottatte CNT-strukturen fra USO.

SEM-bildene i figur 6 viser USO-behandlede CNT sammenlignet med ubehandlede CNTer. De ubehandlede CNTene er svært klumpete, mens de USO-behandlede CNTene er mye jevnere dispergerte over overflaten, noe som viser at USO har bidratt til å redusere agglomerater som er tilstede i det mottatte materialet.

De USO-behandlede CNTene ble deretter avsatt elektroforetisk ved bruk av en rekke kondisjonerioner. Tykkere filmer ble produsert ettersom elektroforese-tiden økte; Tykkere filmer ble også produsert ved bruk av høyere CNT-konsentrasjoner, som vist i figur 7 . Lignende resultater oppnås når BNP brukes. Figur 8 viser frekvensen av elektroforetisk avsetning ved forskjellige CNT-konsentrasjoner, ved bruk av avsetningshastigheter beregnet fra kurvepassing av dataene i figur 7 . Det ser ut til at frekvensen av EPD av USO-behandlede CNTs kan forventes rimelig bra dersom den opprinnelige CNT-konsentrasjonen er kjent. Det lineære forholdet i deponeringshastighet og dispersjonskonsentrasjon er spådd fra Hamaker Law 21 , men logaritmisk hastighet i avsetning viser at endringer i avsetningsparametrene forekommer med tiden. Vårt tidligere arbeid, hvor CNT ble avsatt på karbon 12 og glass 13 stoffer, viste også tydelig at avsetningshastigheten med tiden ikke var lineær. unDer konstant spenningsavsetning øker motstanden til CNT-filmen, noe som fører til en reduksjon i avsetningshastigheten.

Figur 3
Figur 3: Kjemisk karakterisering - XPS. CNT som hadde blitt utsatt for USO for varierende tider ble analysert ved hjelp av XPS. Dette bildet viser den brede skanningsendringen i oksygen (532 eV) og karbon (284,6 eV) intensitet, med oksygenintensiteten økende ved høyere USO ganger. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figur 4
Figur 4: Atomforhold - XPS. Denne grafen viser endringen i O: C atomforholdet av CNT med økende USO ganger, beregnet fraSkanninger vist i figur 3 . Ozonolysemekanismen er svært kompleks, og polynomisk passform er gitt som en veiledning til leseren for å vise trenden i oksidasjonshastigheten, men ikke å forklare noe om ozonolysemekanismen. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figur 5
Figur 5: Strukturell karakterisering - Raman. Alle spektra viste sterke D-bånd (~ 1,346 cm -1 ), G-bånd (~ 1,576 cm- 1 ), 2D-bånd (~ 2,698 cm- 1 ) og D + G-bånd (~ 2,941 cm- 1 ). D-båndets økning indikerer noe økning i grafittfeilene. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren. >

Figur 6
Figur 6: Filmmorfologi - SEM. Disse bildene viser CNT som var ( a ) ikke kjemisk behandlet og ( b ) USO-behandlet i 16 timer. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figur 7
Figur 7: Elektroforese målinger. Denne grafen viser tettheten til EPD-filmene i forhold til avsetningstiden ved å bruke tre forskjellige konsentrasjoner av CNT som er dispergert i vann. Blå diamanter = 2 g / L, røde firkanter = 1,5 g / L og grønne trekanter = 1 g / L. Et 14 V / cm DC elektrisk felt ble brukt for disse prøvene.Jpg "target =" _ blank "> Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figur 8
Figur 8: Elektroforetisk deponeringsfrekvens. Plot av EPD-hastigheten i forhold til CNT-konsentrasjonene, ved bruk av avsetningshastigheter beregnet ut fra kurveformen i figur 7-plott av filmdensitet versus avsatt tid. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Navn Posisjon Begrensning FWHM Begrensning Arealbegrensning % AtomiskKonsentrasjon
0 timer 12 timer
Gr 1 284,6 ± 0.1 0.7 ± 0.2 Passer best 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 Passer best 2.1
CO 287 1.2 Passer best 1.5 14.3
C = O 288,6 1.2 Passer best 0.9 12.4
COO 289,4 1.2 Passer best 0.9 5.3

Tabell 1: Kjemisk karakterisering - XPS. Tabellen viser topppasningsparametrene som brukes til å dekonvoluere C 1s-spektret for BNPene som er behandlet ved hjelp av USO-metoden for 0 h og 12 h behandlingstider. Det viser også de resulterende atomkonsentrasjonene av hver art 14 . Gr 1, Gr 2, etc. representerer de forskjellige grafittoppene som brukes i passformen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingenting å avsløre.

Acknowledgments

Den ikke-lønnsomme delen av arbeidet ble finansiert av Commonwealth of Australia. Forfatteren fra Delaware University anerkjenner takknemlig støtte fra US National Science Foundation (Grant # 1254540, Dr. Mary Toney, Program Director). Forfatterne takker Mr. Mark Fitzgerald for hans hjelp med elektroforetiske avsetningsmålinger.

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/

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Tags

Miljøvitenskap utgave 123 funksjonalisering dispersjon karbonnanorør grafen nanoplateleter elektroforetisk avsetting røntgenfotoelektronspektroskopi Raman-spektroskopi
Funksjonalisering og dispersjon av karbonnanomaterialer ved bruk av en miljøvennlig ultrasonisert ozonolyseprosess
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Yeo, E. S. Y., Mathys, G. I., Brack, … More

Yeo, E. S. Y., Mathys, G. I., Brack, N., Thostenson, E. T., Rider, A. N. Functionalization and Dispersion of Carbon Nanomaterials Using an Environmentally Friendly Ultrasonicated Ozonolysis Process. J. Vis. Exp. (123), e55614, doi:10.3791/55614 (2017).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter