Summary
Bir yordam adımlarını izleyen kimyasal değişiklik kullanarak polistiren aşılı multiwalled karbon nanotüpler sentezi için seçmeli olarak tanıtılması polimer zincirleri için yanağında ve onların kendinden montajlı üzerinden Anizotropik seçimdeki olduğunu sundu.
Abstract
Yanağında modülasyon nanotüp yüzey özellikleri etkinleştirmek için bir serbest radikal polimerizasyon strateji aracılığıyla, polistiren (PS) zincirlerle bozulmamış multiwalled karbon nanotüpler (MWCNTs) greft için basit bir protokol göstermek ve kendinden montajlı taşınımı supramolecular üretmek. İlk olarak, bir catalytically aracılı bifazik oksidasyon reaksiyonu ile bozulmamış nanotüpler seçici bir prokollajen yanağında yüzeysel olarak dağıtılmış reaktif siteleri oluşturur. İkinci reaktif siteleri daha sonra polymerizable siteleri oluşturmak için bir silylated metakrilik habercisi kullanarak metakrilik moieties ile değiştirilir. Polymerizable grupların stiren nanotüp yanağında aşılı PS zincirleri içeren bir hibrid nanomaterial üretmek için daha fazla polimerizasyon karşılayabilirsiniz. Polimer-greft içerik, tanıttı silylated metakrilik moieties miktarı ve nanotüpler modifikasyonu prokollajen tanımlanır ve Thermogravimetric analizi (TGA) sayılabilir. Reaktif Fonksiyonel grupların hidroksil ve silylated metakrilat varlığı Fourier Transform Infrared spektroskopisi tarafından (FT-IR) doğruladı. Tetrahydrofuran (THF) polistiren aşılı karbon nanotüp çözümlerinde duvardan duvara collinearly otomatik olarak birleştirilmiş nanotüpler ne zaman döküm örnekleri transmisyon elektron mikroskobu (TEM) tarafından analiz edilir sağlar. Ne zaman uygun boşluklar benzer şekilde sigara aşılı karşıtları içeren benzer çözümlerinden döküm bu öz-derlemeleri elde değil. Bu nedenle, bu yöntem kendiliğinden otomatik-kuruluştan Nano içine sonuçları nanotüp Anizotropik seçimdeki yanağında adlı modifikasyonu sağlar.
Introduction
Tek duvarlı karbon nanotüpler (SWCNTs),1,2 keşif beri bilimsel topluluklar kendi üstün elektrik, mekanik ve termal özellikleri3 ' geniş bir kupür-kenar uygulamış olan uygulamaları onların yüzey özellikleri ile kovalent4 ve kovalent olmayan5 stratejileri oransal tarafından. Bu uygulamaları kullanımları sensörler,6,7 elektrotlar Güneş Pilleri dönüştürücüler olarak örnekleri,8 heterojen kataliz, sentez, anti-fouling10 9 nanoreactors destekler koruyucu filmi, kompozit malzemeler,11 dolgu ajanları12vs. Ancak, onların daha sağlam yüzey özellikleri, henüz endüstriyel kullanılabilir multiwalled meslektaşları Yani, nano, kovalent olmayan onların etkileşim içinde yön kontrol MWCNTs, modüle imkanı bir zor kalmıştır görev defa. 13
Madde, nano organizasyonu kontrol etmek için en çok yönlü stratejilerden birini kendinden montajlı Moleküler yapı taşları supramolecular. 14 , 15 bu anlamda, yön, kısa menzilli ve H-bond, Van der Waals, gibi dipol-dipol iyon-dipol dipol dipol kaynaklı, π π istifleme, ba * π, anyon-π, coulombic orta sınıf kovalent olmayan etkileşimleri supramolecular etkileşimleri dahil, diğerleri arasında. 16 ne yazık ki, kendinden montajlı için MWCNTs gibi daha geniş yapılar içinde yön spontan değildir ve genellikle dış sebebi Kuvvetleri (örneğin şablonlar veya enerji dağıtımı sistemleri) gerektirir. 17 nanotüpler ikinci gol,18 ama kovalent stratejileri kullanımı yeni alternatifler sunmak için bu sorunu çözmek için takip etmek uygun eş polimerler ile son kullanılan rapor kovalent olmayan kaydırma güçlükle keşfedilmiş kaldı.
Karbon nanotüpler kimyasal modifikasyonu seçime bağlı olarak farklı Fonksiyonel grupların termini veya aynı yanağında tanıtmak için yürütülen olabilir. 19 , 20 yüzey özelliklerini karbon nanoyapıların uyarlamak için en kullanışlı yaklaşımlar polimer-aşılama yoluyla standart polimerizasyon yollar biridir. Genellikle, bu yaklaşımlar polymerizable ön giriş içerir veya başlatıcı grup (Akrilik, vinil, vb) nanostructure yüzey ve onların birbirini izleyen polimerizasyon uygun bir monomer ile. 21 MWCNTs söz konusu olduğunda, bir meydan okuma onların seçimdeki Anizotropik bir biçimde denetlemek için yanağında üzerinde polimer zincirlerinin kovalent giriş kalmıştır.
Burada biz bir dizi basit kimyasal değişiklik adımları22,23 PS zincirleri MWCNTs yanağında üzerinde onların yüzey seçimdeki değiştirmek için ve onların Anizotropik tanıtmak için eklemek için uygulanabilir nasıl gösterir kendinden montajlı23 , nano. Değişiklik yol bir ilk adım yanağında, bozulmamış MWCNTs seçici prokollajen takip ederek bir bifazik catalytically hydroxylated meslektaşları Yani, verim için oksidasyon reaksiyonu MWCNT-OH aracılı sağlar. İkinci bir adım 3-(trimethoxysilyl) kullanan propil metakrilat (TMSPMA) önceden oluşturulmuş hidroksil grupları (MWCNT-O-TMSPMA) silylated metakrilik moieties tanıtmak. Bu uçlar stiren monomer nanotüpler (Yani MWCNT-O-PS) sonunda yanağında aşılı polimer zincirleri böylece verimli metakrilik moieties üzerinden polimerli zaman sırasında yüzey reaktif siteleri üçüncü adım, sağlayacaktır.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Dikkat: Lütfen ilgili tüm malzeme güvenlik bilgi formları (MSDS) kullanmadan önce danışın. Bu protokol için kullanılan kimyasalların çeşitli akut toksik ve kanserojen. Karbon nanotüp türevleri ek solunum tehlikeler diğer geleneksel toplu karbon siyanürlerin karşılaştırıldığında olabilir. Kanserojen özellikleri tamamen defa aydınlatılmamıştır değil olsa karbon nanotüpler aerosol olarak akciğerler asbest, daha benzer bir şekilde etkileyebilir şüpheleniliyor. Lütfen tüm uygun güvenlik uygulamaları kimyasal reaksiyonlar ve duman hood ve kişisel koruyucu ekipman kullanımı da dahil olmak üzere adımları işleme ürün yerine getirirken kullanın (önlük, eldiven, koruyucu gözlük, Ayakkabı, tam uzunlukta pantolon kapalı) süre uygun mercek maskeler süzme özellikle kullanılması gerektiğini ne zaman potansiyel nanotüp toz oluşturulabilir (NIOSH onaylı N95 modeli veya Avrupa tr 149 sertifikalı FFP3 sürümleri). Aşağıdaki yordam bölümlerini standart inert atmosfer teknikleri işleme içerir. 24
1. seçmeli prokollajen Multiwalled karbon nanotüpler 22
- Bifazik Catalytically MWCNTs oksidasyonunu aracılı
-
Organik faz hazırlanması
- Bozulmamış MWCNTs 2.5 g izle cam, Petri kabına veya ölçek kabı için ekleyin.
- Kapsayıcı bir 80 ° C vakum fırını ve uygun bir izle cam kapaklı içine taşıyın. Fırın vakum pompası açın ve sistem ca. 200 mmHg için ayarlayın.
- Nanotüpler 12 h vakum fırında kuru. Bu adımdan sonra MWCNTs su içeriği yok edilecek.
- Kurutulmuş MWCNTs 100 mL alt şişe cam huni ve bir spatula ile yuvarlak içine dökün ve bir kez bitmiş huniyi çıkarın.
- Manyetik bir karıştırma çubuğu yuvarlak alt şişeye tanıtmak ve Ekle ~ % 99 diklorometan bir ölçek kullanarak balonun içine 50 mL. 60 kadar aglomeralar ortadan coşkulu bir tabak kullanarak devir / dakikada ilave edin.
- Aglomeralar karıştırarak 10 dakika sonra çözüm içinde kalırsanız, şişeye bir ultrasonik banyo içine taşımak ve 5 dk. tekrar sonication için sisteme gerekirse açın. Bu çözüm organik faz oksidasyon reaksiyonu aşamasında olacaktır.
-
Sulu faz hazırlanması
- Bir 25 mL kabı tetrapropylammonium bromür (TPABr) 0.6 g 5 mL distile su manyetik bir karıştırma çubuğu ve coşkulu bir tabak kullanarak geçiyoruz.
- 10 mL volumetric flask, 0.253 g KMnO4 (0,16 M çözüm) distile suda çözülür ve çözüm bir ölçek el altında tutun. Bu çözüm adım 1.1.2.4 kullanılacaktır.
- Buzul Asetik asit (HOAc) 5 mL al ve ses drop-wise TPABr çözüm için transfer. Bir mezun pipet ve bir buz banyosu karıştırarak constant kullanmak yararlı olabilir.
Not: Karışım işleminin ekzotermik, bu nedenle, ek yavaş yavaş olası yaralanmaları önlemek için öngörülen damlacıkları veya bir aşırı ısınma tarafından yapılmalıdır. - 5 mL aliquot 0,16 M KMnO4 sulu çözüm acidified TPABr çözüm aktarın. Temiz bir mezun pipet kullanarak ve karıştırarak yararlı olabilir.
- Bir saat kadar gerekli cam ile kaplı önceki çözüm tutmak. Bu çözüm oksidasyon reaksiyonu aşamasında sulu faz olacaktır.
-
Oksidasyon reaksiyonu
- Sulu faz organik faz içeren yuvarlak alt şişe dökün. Bu karışım bifazik reaksiyon karışımı olacak.
- Karıştırma plaka kullanarak, bifazik sistem 80 devir/dakika ya da daha fazla kışkırtmak ve 24 saat oda sıcaklığında karışımı karıştırma altında bırakın. Bu saatten sonra Menekşe sulu faz döner soluk pembe ve haline nanotüpler (MWCNT-OH) hydroxylated.
-
Organik faz hazırlanması
- Arıtma MWCNT-Oh
-
Sıvı-sıvı ekstraksiyon
- Bifazik reaksiyon karışımı bir 150 mL veya kapalı konumda stopcock ile 200 mL HCI'yi huni aktarın. Bir spatula ve cam huni gerekirse kullanın.
- Beral pipet, Pasteur pipet ile bağlı bir lastik ampul veya bir ölçek kullanarak Ekle ~ HCI'yi huni içine konsantre hidroklorik asit 0.25 mL.
- HCI'yi huni kullanın.
- Teflon tıpa ile HCI'yi huni kapatın (cam stoper karbon nanotüpler için kullanmayın) ve şiddetle kışkırtmak için 5 s duman Hood ile kanat pencere aşağı. Ajitasyon sırasında her zaman güçlü bir el ile huni bağlı tıpa tutun ve diğer elinizle stopcock tut.
- Hemen sonra ajitasyon adım huni ters çevirin ve basınç birikmesi kendi eliyle stopcock açarak bırakın.
Not: duman gıda arka baskı yönünü gidermek emin olun. - 3-5 döngülerle son iki ajitasyon/basınç-release adımı yineleyin.
- Son döngüsü tamamlandıktan sonra stoper kaldırmak ve renk ayrımı belirgindir huni klempe ve bozulmamış kadar aşama bırakılır. Sıvı-sıvı ayrılıktan sonra sulu faz organik faz kalır. MWCNT-OH organik faz kalacaktır.
- Hiçbir faz ayrım ortaya çıkarsa, 1-5 mL tuzlu su ekleyin (% 10-20 NaCl su, m/v) Beral pipet veya Pasteur pipet kullanarak HCI'yi huni için karışımı yavaşça ve karışım faz ayrımı kadar rahatsız bekletin. Gerektiği kadar yineleyin.
- Organik faz faz sınır stopcock konuma ulaşana kadar stopcock açık tutarak bir 150 mL kabı yeniden elde etmek. 150 mL Erlenmeyer flask, organik faz kurtarmak için alternatif olarak kullanılabilir; Ancak, bu kapsayıcı türünden nanotüpler alınmasını genellikle daha zordur.
- Filtrasyon kadar izle cam ile korunan kurtarılan çözüm tutmak.
- Sulu faz uygun şekilde atın.
-
Bir vakum filtrasyon sistemi
- Tıpa oturma vakum filtrasyon sistemi ayarlayabilir, sıkıca klempe Kitasato şişesi boyun kurabilirsiniz.
- 47 mm çap membran filtre el altında tutar ve, membran malzeme ve belirtiler üreticisinden bağlı olarak, isteğe bağlı olarak bu adımı ve sonraki iki olanlar (Adım 1.2.2.2 - 1.2.2.4). 100 mm çapında Petri kabına etanol (alkol) dolum kapasitesi % 50'si ile hazırlayın.
- Düz uçlu Forseps ile 47 mm çap membran filtre alkol ile Petri kabına yerleştirin. 2-5 dk. yapmak emin bir membran ile bir gözenek boyutu 0.45 kullanma alkol içinde membran bırakın - daha büyükleri filtreleme etkinliğini azaltmak iken 20 µm. küçük gözenek boyutları filtrasyon yapışmasına neden.
- Membran düz uçlu forseps kullanarak alkol kaldırın.
- Membran membran kenar tarafından başlayarak filtre destek yüzeyinde Sinterlenmiş cam alanı üzerinde ortalayın. İsteğe bağlı ıslatma alkol ile bu adımı kolaylaştırabilir.
- Merkezi flanş montaj üzerine huni. Membran rahatsız etmeyin. Huni kilitlemek, Bahar kelepçe ile birlikte temel alabilirsiniz.
- Sistem vakum kaynağına bağlanmak. Vakum gerekinceye kadar açmazlar.
-
MWCNT-Oh filtrasyon
- Alınan organik faz bir cam çubuk tarafından destekli vakum filtrasyon huni içine dökün. Vakum örnek kuruluk kadar filtre uygulayın.
- Katı 40-50 mL % 95'i metanol (MeOH) bir yıkama şişe kullanarak ile yıkayın. Bir cam çubuk kullanarak bu görevde yardımcı olabilir. Bu işlem en az 5 kez tekrarlayın. Bu adımı sırasında vakum devam et.
- Yıkandıktan sonra sistem için 20 katı kuru cam dikkat ile kaplı min vakum altında bırakın.
- Katı membran kurtarmak için sonraki adımları 1.2.3.5 - 1.2.3.8 izleyin.
- Dikkatle, Bahar kelepçe kaldırın ve sonra dikey membran ve katı bozmadan huniyi çıkarın.
- Çok dikkatli, membran ile birlikte sağlam bir spatula ve yumuşak uçlu forseps destekli filtre destek yüzeyine kaldırın.
- Membran sağlam bir 100 mm çap Petri kabına veya izle cam aktarın.
- Tüm ürün Petri dish/izle camın üzerine yatırılır kadar iki düz uçlu forseps ve bir spatula destekli, katı membran yüzeyden kurtarmak.
-
Kurutma ve depolama MWCNT-Oh
- Uygun bir saat cam Petri dish/izle cam kapak (daha büyük çaplı gereklidir).
Not: mühürleme film Elektrostatik şarj önlemek için kullanmayın. - Petri dish/izle cam 80 ° C'de ısıtılmış bir vakum fırın içine tanıtmak Fırın vakum pompası açın ve sistem ca. için 200 mm Hg ayarlayın.
- 24 h için katı kuru. Bu adımdan sonra ürün çözelti içeriğinde yok edilecek. Ürün hemen kullanılmaz katı bir desiccator ihtiyaç kadar saklayabilirsiniz.
- Uygun bir saat cam Petri dish/izle cam kapak (daha büyük çaplı gereklidir).
-
Sıvı-sıvı ekstraksiyon
2. aşılama MWCNT-OH polistren zincirleri 22,23 ile
-
MWCNT-OH Silylated metakrilik Moieties ile modifikasyonu
- 2.5 g MWCNT-OH ve Hidrokinon, 5 g cam huni ve bir spatula kullanarak bir temiz 100 mL Schlenk şişe dökün, huniyi çıkarın ve bir manyetik karıştırma çubuğu tanıtmak.
- Schlenk şişesi aşağıdaki göstergelerden göre reflü moduna ayarlayın:
- Schlenk şişe cam şişeye'nın ortak manifold sistem uygun alıpkendi kullanarak bağlı vakum/inert gaz bağlayın. Şişeye'nın manifoldu kapalı tutun.
- Uygun bir Kondenser su gelir ile cam ortak erkek en yakın ortak ayarlamak emin olmak istedim, uygun alıpkendi kullanarak musluk suyu sisteme bağlayın.
- Kondansatör erkek ortak bir eşit olarak uygulanan ince tabaka vakum yağ ile yağlayın.
Not: Ortak ürün kirlenmesini önlemek için aşırı yağlanmış olmamalıdır. - Kondansatör'ın erkek ortak Schlenk şişesi'nın boyun için ekleyin. Kondansatör'ın kadın ortak bir kauçuk tıpa ile kapatın.
- Dikkatle, şişeye vakum için açın. Nanotüpler vakum hattına bu işlem sırasında kadar emdi değil ki emin olun.
- Schlenk şişesi N2 benzin koyacak.
- Son iki adımı iki kez daha tekrarlayın.
- Pozitif N2 gaz akışı altında sistem tutmak.
- Temiz bir kanül ve uygun bir şırınga destekli, yavaş yavaş kuru 50 mL toluen kauçuk tıpa yoluyla enjekte et.
- Karıştırma plaka ve termal banyo kullanarak karisimin şiddetle 80 rpm ya da daha fazla kışkırtmak ve karışımı karıştırarak 5-10 dakika altında oda sıcaklığında bırakın.
- Temiz bir kanül ve bir şırınga kullanarak, TMSPMA 5 mL kauçuk tıpa yoluyla enjekte et.
- Sıcaklığı 100 ° C için ayarlamak ve reaksiyon reflü ve karıştırma için 12 h altında bırakın. Bu saatten sonra silylated metakrilik moieties kimyasal olarak MWCNTs (yani MWCNT-O-TMSPMA) üzerinde hidroksil grupları için çift vardır.
- Dikkatli bir şekilde tepki iş biter bitmez, kauçuk tıpa kaldırmak, N2 akışı kapatın ve şişeye oda sıcaklığında tamamlanana kadar bekleyin.
- Bir vakum filtrasyon sistemi (Adım 1.2.2) ayarlayın.
- Katı (Adım 1.2.3) filtre. MeOH ile fazla yıkamak.
- Kuru ve MWCNT-O-TMSPMA (Adım 1.2.4) saklayın.
-
Polimerizasyon stiren değiştirilmiş MWCNTs üzerinde
- 2.5 g MWCNT-O-TMSPMA ve azobisisobutyronitrile (AIBN) 75 mg bir spatula ve cam huni kullanarak bir temiz 100 mL Schlenk şişe dökün ve huniyi çıkarın.
Dikkat: kendiliğinden patlayabilir o olabilir gibi AIBN toz ısı veya güçlü oksitleyici ajanlar, maruz değil. - Manyetik bir karıştırma çubuğu Schlenk şişeye tanıtmak.
- Schlenk şişesi (Adım 2.1.2) reflü moduna ayarlayın.
- Temiz bir kanül ve bir şırınga kullanarak, 50 mL kuru toluen kauçuk tıpa yoluyla enjekte et.
- Karıştırma plaka ve termal banyo kullanarak 80 rpm ya da daha fazla karisimin kışkırtmak ve karışımı karıştırarak 5-10 dakika altında oda sıcaklığında bırakın.
- Temiz bir kanül ve bir şırınga destekli, stiren tıpa ile 7,5 mL enjekte et.
- Sıcaklığı 70 ° C için ayarlamak ve reaksiyon reflü, karıştırma ve N2 12 h için altında bırakın. Bu saatten sonra PS zincirleri nanotüp yanağında (MWCNT-O-PS) aşılı.
- Açık hava sistem, N2 akışı kapatın ve oda sıcaklığına şişeye serin.
- Bir vakum filtrasyon sistemi (Adım 1.2.2) ayarlayın.
- Filtre ve katı (Adım 1.2.3) yıkayın. Aseton yıkama adımında yerine MeOH kullanın. Katı beş kat daha fazla 20 mL ilişkisiz polistiren kaldırmak için THF ile yıkayın.
- Kuru ve MWCNT-O-PS (Adım 1.2.4) saklayın.
Not: Toluen stiren konsantrasyon polimerizasyon adım sırasında değiştirerek nanotüpler için aşılı polimer zincir uzunluğu ayarlanabilir; düşük konsantrasyonlarda daha kısa zincirler üretmek. Polimerizasyon reaksiyon zamanı polimer zinciri boyutu ayarlamak için kullanılabilir; daha kısa tepki süreleri zincirleri uzunluğunu azaltın. Başvurular 22 ve 23 Ayrıntılar için bkz.
- 2.5 g MWCNT-O-TMSPMA ve azobisisobutyronitrile (AIBN) 75 mg bir spatula ve cam huni kullanarak bir temiz 100 mL Schlenk şişe dökün ve huniyi çıkarın.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
TGA veri bozulmamış nanotüpler, hydroxylated nanotüpler, silylated metakrilik moieties ile modifiye nanotüpler ve polistiren aşılı nanotüpler (şekil 1) toplanmıştır. FT-IR sonuçlar toplanan hydroxylated nanotüpler ve nanotüpler Modifiye ile silylated metakrilik moieties (Şekil 2). TEM görüntüleri bozulmamış nanotüpler ve polistiren aşılı nanotüpler (şekil 3) toplanmıştır. TGA damla kütlesi nanotüpler kimyasal modifikasyonu kademeli verimi hesaplamak için kullanılır. 22 , 23 , 25 , 26 FT-IR reaktif fonksiyonel gruplar için nanotüpler tanıttı varlığını doğrulamak için kullanılır. TEM polimer aşılı nanotüpler bozulmamış meslektaşları karşı kendinden montajlı Anizotropik doğrulamak için kullanılır. 23
Resim 1 : Karbon nanotüpler üzerinde kimyasal değişimleri nicel karakterizasyonu. TGA eğrileri bozulmamış MWCNTs (siyah), MWCNT-OH (kırmızı), MWCNT-O-TMSPMA (mavi) ve MWCNT-O-PS (yeşil) için. Gri metin ve kesik çizgiler her bileşen genellikle ayrılmış nerede sıcaklık bölgeleri gösterir.
Resim 2 : Reaktif Fonksiyonel grupların onay için karbon nanotüpler tanıttı. FT-IR spectra için: a) MWCNT-OH (kırmızı) ve b) MWCNT-O-TMSPMA (mavi). Gri metin ve düz çizgiler tanıtılan reaktif grup varlığını doğrulamak için ilgili grup konumunu gösterir. Eklenen resimler için değiştirilmiş nanotüpler şematik temsilcilikleri vardır.
Şekil 3 : Polimer aşılı karbon nanotüpler, kendinden montajlı anisotropic. TEM (üstte) imge--dan THF çözümler için çözücü buharlaşma sonra: a) saf MWCNTs, her micrography altında b) MWCNT-O-PS. düzenleri vardır nanoyapıların tipik Nano halden bir temsil. Kimya Royal Society izniyle çoğaltılamaz ve adapte üzerinden Ref. 23.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Bu yöntem, başarılı bir aşılama işlemi güvence altına almak için kritik neden bazı adımlar vardır. İlk olarak, catalytically aracılı bifazik oksidasyon reaksiyonu (Adım 1.1) son dağınık karbon nanotüpler (Adım 1.1.1.5) ile yapılmalıdır. Dağılım protokol önerileri göre kamunun sonuçlanırsa, bir ultrasonik ipucu sonicator kullanımı aynı endikasyonları (Adım 1.1.1.6) kullanıyorsanız yararlı olacaktır. Daha kısa MWCNTs kullanarak da dağılım Sorunları çözmede yardımcı olabilir. İkinci olarak, vakum filtrasyon sistemi ayarını arıtma verimi (Adım 1.2.2) çok önemlidir. Değilse yordamı uygun şekilde takip Bu anlamda, membran filtre destek yüzeyinde (Adım 1.2.2.5) Sinterlenmiş cam alanı üzerinde merkezleme membran kırışıklıkların neden olabilir (özellikle, adım 1.2.2.5 - 1.2.2.6). İkinci durumda, homojen filtre yapışma elde edilir 1.2.2.3 1.2.2.5 tamamlayana dek. Alternatif olarak, ayrıca sigara sualtındaki membran ile deneyin (Yani değil adımları izleyin 1.2.2.2 - 1.2.2.4) sürümleri ve filtrasyon sonuçları gözlemlemek. Membran malzeme kullanılan ve seçili üreticiye bağlı olarak, Kuru ve ıslak sürümleri ve filtrasyon arasında kesme boyutu değişebilir iken, membran kırışıklık oluşumunu adımları 1.2.2.5 - 1.2.2.6, onların fiksasyonu sırasında kuru membranlar kullanımını engeller verimlilik durumda bağlı olarak etkilenebilir. Üçüncü olarak, polimerizasyon reaksiyonu son kritik aşama (Adım 2.2) gerektirir. Verimsiz polimerizasyon en yaygın kaynağı olmayan saf monomer kullanmaktır. Taze arıtılmış stiren bir Alümina jel partiye hazırlık sütun kullanarak kullanmak için kapsayıcı monomer ışıktan korumak ve kullanana kadar 4 ° C de saklı tutmak için alüminyum folyo ile kapak emin olun. MWCNTs kullanımı daha büyük bir çap veya daha kısa uzunlukları ile final sonuçları temsilcisi herhangi bir varyasyon yansıtmak değildir. Ancak, SWCNTs, çift duvar karbon nanotüpler veya MWCNTs daha kısa çaplı kullandıysanız sınırlamalar ortaya çıkabilir. Eğer oksidasyon reaksiyonu (Adım 1.1.3) aynı reaksiyon süresi için yürütülen önceki üç örnek kullanımı nanotüp yapısı çürümeye neden olabilir. İkinci sorun giderme kısa süreleri test ve en iyi sonuçları onaylamak için TGA ve FT-IR çözümlemesi gerçekleştirme yapılabilir.
TGA her kimyasal değişiklik adımda başarı izleme için en basit yöntemdir. Kitle kayıp ve bunlar içinde oda sıcaklığında ve 1000 ° C arasında elde edilen TGA eğrileri gerçekleştiği sıcaklık değerleri doğrudan bir analiz izin için bir miktar değişiklik verim ürünlerinde (şekil 1). TGA eğrisi bozulmamış MWCNTs için bir tek damla kütlesi ağırlığında ( şekil 1' deki siyah eğri) ilâ % 96'sı için 820 ° C arasındaki 550 ° C sergiler. Analiz hava akımı altında yürütülen bu kayıp kütlesi nanotüpler ayrışma karşılık gelir. 820 ° C kalan inorganik yabancı maddelerin ham ürün nedeniyle sürekli bir ağırlık görülmektedir. Aynı analiz koşullar altında 200 ° C ve MWCNT eğrisi ile karşılaştırıldığında 300 ° C arasında ek bir zayıf açılan MWCNT-OH ( şekil 1' deki kırmızı eğri) gösterir. 22 nanotüp yanağında bifazik sırasında catalytically eklenen hidroksil grupları içeriğinde oksidasyon reaksiyonu aracılı ağırlığı yüzde MWCNT eğrisi ve MWCNT-OH önceki aralığı sonunda arasındaki farkı gösterir. MWCNT-OH için tipik hidroksil içerik ağırlığının %2 ile %5 arasında bulunur. Ayrıca, bu ek ağırlık damla bir yokluğu prokollajen reaksiyon meydana gösterir. Daha yüksek sıcaklıklarda sürekli ağırlık değeri göze sırasında o sıcaklığı nanotüpler tam bir ayrışma 800 ° C'de daha önce oluşur. Öte yandan, tipik bir TGA eğrisi MWCNT-O-TMSPMA için iki ardışık ağırlık aynı hava akışı koşullarda ( şekil 1' deki mavi eğri) damla gösterir. İlk kayıplarının 380 ° C ve hydroxylic gruplarına eklenen TMSPMA üzerinden metakrilik moieties ayrışma karşılık gelen 470 ° C arasında bulunur; benzer şekilde taşınımı ile kovalent kimya farklı türleri için eklenen TMSPMA edebiyat22,25 anlaşarak Sıcaklık aralığı değeridir. İkinci açılan 550 ° C'de başlar ve 790 ° C'de biter Bu kilo kaybı karbon nanotüpler ayrışma kökenli olduğu. Bu sıcaklık aralığı için her ikisi de karşılık gelen sonra gözlenen kütlesi sabit değer özgün nanotüpler ve non-maymun iştahlı silikat türevleri kalan inorganik madde TMSPMA moieties ayrışma sırasında kurdu. İkincisi ile karşılaştırıldığında ilk kilo damla arasındaki ilişkiyi TMSPMA içeriğinde nanotüpler içinde karşılık gelir. Bu anlamda, ilk kaybı genellikle % 8 için %12 ikinci damla ile karşılaştırıldığında ağırlığında olduğunu. İlk kilo damla kanıt TMSPMA kaplin hidroksil grupları için başarısızlık bulunmamasıdır. Son olarak, bir temsilcisi TGA eğrisi MWCNT-O-PS ( şekil 1' deki yeşil eğri) için üç net varyasyon ağırlığı altında hava akımı, bozulmamış meslektaşlarıyla karşılaştırıldığında Eğer gösterir. İlk açılan 270 ve 380 ° C arasında oluşur ve nanotüpler için aşılı polistren zincirleri decomposed zaman üretilir; Bu sıcaklık uygun olarak karbon malzemeleri kovalent yordamları farklı türde aşılı PS edebiyat22,26 aralığıdır. İkinci kilo kaybı yaklaşık at 400 ° C başlar ve TMSPMA metakrilik bileşenden kaybı tarafından üretilen 480 ° c biter. Üçüncü açılan yaklaşık 600 ° C de görünür ve 780 ° C'de biter ve nanotüpler ayrışma bir sonucudur. Üçüncüsü arasındaki ilk ağırlık bırakma oranı polimer aşılı nanotüpler PS içeriği sağlar. PS MWCNT-O-PS için tipik içerik % 30 ile % 40 arasında nanotüp içerik ile karşılaştırıldığında ağırlığı bulunur. 23 ilk kilo damla eksikliği başarısızlık polimerizasyon adımda bir kanıtıdır.
FT-IR spektrumları bozulmamış MWCNTs (Şekil 2) tanıttı reaktif Fonksiyonel grupların varlığını doğrulamak yararlı olabilir. Bu gruplar, hydroxyls ve silylated metakrilik moieties içerir. Genellikle, spectra MWCNT-OH (kırmızı eğri, şekil 2a) üzerinden 3427 cm-1O-H grupları germe için karşılık gelen, geniş bir güçlü grup göstermek. Ayrıca, zayıf ama açık grup nanotüp duvardaki aromatik karbonlar ve OH grupları arasındaki bağları germe tarafından üretilen 1193 cm-1 de bulunabilir. Aksine, spectra dan MWCNT-O-TMSPMA (mavi eğri, şekil 2b) Si-OH kardeşlik bağlarımızı germe tarafından üretilen 3442 cm-1 adlı güçlü bir bant gösterecektir. Aynı Tahvil da sırasıyla 1030 cm-1 ve 812 cm-1, iki ek orta grup üretmek. Buna ek olarak, metakrilik moieties ester grubu karbonil C = O bağ 1718 cm-1zayıf bir germe band göze. Son grup komşu grubun 812 cm-1 de Si-OH kısmen üst üste ise Ayrıca, Si-OC Tahvil TMSPMA grubu ve 1102 cm-1 ve 801 cm-1de görünen nanotüp vermek iki tipik orta grup arasında oluşturulmuş . Eklenen TMSPMA moieties metakrilik C = C Tahvil bir orta bant 1646 cm-1germe ver. Son olarak, Si-C Tahvil silylated bölümünde bulunan 707 cm-1, zayıf ama net germe grup sağlar. Bir devamsızlık gruplarından 1102 cm-1 ve 801 cm-1 iki olasılık gösterir: 1) TMSPMA ve hidroksil grupları nanotüpler ve Reaktanları 2) verimsiz kaldırılması arasında kovalent bağlama hatası. 1718 cm-1 ve 1646 cm-1 bantları eksikliği hidroliz ester grubu ürün arıtma (yanlışlıkla asit veya baz ile yıkama tarafındanörneğin ) sırasında meydana gelen istenmeyen gösterir.
Damla-cast çözümlerinde solvent tipik kendinden montajlı gösterebilirsiniz gibi THF kullanarak mikroskopik analiz davranış MWCNT-O-PS hangi bozulmamış meslektaşları (şekil 3) oluşmaz. 23 bozulmamış MWCNTs tarafından TEM buharlaşma sonra analiz çözümlerinden nanotüpler veya kümeleri (şekil 3a) tipik rasgele ağları satın almaya gücü yetmek. Ancak, eşdeğer örnekleri MWCNT-O-PS hazırlanan collinear nanotüpler duvarlar (şekil 3b) tarafından kendi kendine monte içeren hizalanmış nanoyapıların sağlayın. Bu otomatik-organizasyon davranış nanotüpler yanağında için aşılı polistren zincirleri tarafından oluşturulan Anizotropik seçimdeki tarafından üretilmektedir. Kendi kendine organize nanotüpler için tipik örnekler arasında iki ve altı nanotüpler içeren birleştirilmiş organları birbirine bunların boyuna ekseni boyunca yapıştırılır sağlar. Polimer-aşılama başarısızlık genellikle bu eğilim yokluğunda sonuçlanır.
Multiwalled karbon nanotüpler Anizotropik ile kendinden montajlı elde etmek için bir yöntem göstermiştir özellikleri ile polistren zincirleri üzerinde kullanılan bir serbest radikal polimerizasyon yolun yanağında aşılama. Nanotüpler yüzey özelliklerini seçici bir modifikasyonu yanağında seçmeli olarak reaktif fonksiyonel gruplara eklemek için art arda gelen kimyasal değişiklik adımları elde edilir. Art arda gelen bu değişiklikler sonunda içine collinearly otomatik organize nanoyapıların kovalent olmayan etkileşimleri aracılığıyla sonuçları yüzey seçimdeki modülasyon için izin verir. Biz bu strateji diğer akrilik veya vinil türev polimer türleri ve yeni hibrid malzemeler yeniden uygulanan olabilir ve kompozit bir gelecekte ortaya çıkabilecek bekliyoruz. Ayrıca bu yöntem stratejileri sanayi ve Akademi için cazip koşullarda işleme karbon nanotüp içinde yeni fırsatlar açacak inanıyoruz.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarlar ifşa gerek yok.
Acknowledgments
Ulusal Özerk Meksika Üniversitesi (grant numaraları 5000-9158, 5000-9156, IA205616 ve IA205316) FQ-PAIP ve DGAPA-PAPIIT programlarından kabul etmek istiyoruz ve bilim ve teknoloji Meksika Ulusal Konseyi - CONACYT-(numarası vermek 251533).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Tetrapropylammonium bromide, 99 % (TPABr) | Sigma-Aldrich | 88104 | Irritant, toxic |
| Potassium permanganate, 99 % (KMnO4) | Sigma-Aldrich | 223468 | |
| Acetic acid, 99.5 % | Sigma-Aldrich | 45726 | |
| Pristine multiwalled carbon nanotubes, 99 % (MWCNTs) | Bayer Technology Services | Donated sample | Harmful dusts. >1 micrometer in length and 13–16 nm in outer diameter. Alternative supplier: Nanocyl, Catalog N. NC7000, website: http://www.nanocyl.com/ |
| Sodium Chloride, 98 % (NaCl) | Sigma-Aldrich | S3014 | Technical grade can also be used |
| Ethanol, 99.8 % (EtOH) | Sigma-Aldrich | 32221 | Technical grade can also be used |
| Methanol, 99.8 % (MeOH) | Sigma-Aldrich | 322415 | Highly toxic. Technical grade can also be used |
| Hydroquinone, 99 % | Sigma-Aldrich | H9003 | |
| Toluene, 99.8 % | Sigma-Aldrich | 244511 | Anhydrous |
| 3-(Trimethoxysilyl)propyl methacrylate, 98 % (TMSPMA) | Sigma-Aldrich | 440159 | Air sensitive, toxic |
| Azobisisobutyronitrile, 99 % (AIBN) | Sigma-Aldrich | 755745 | Explosive |
| Styrene, 99 % | Sigma-Aldrich | S4972 | Purified using an alumina gel preparative column and stored at 4 °C |
| Acetone, 99.5 % | Sigma-Aldrich | 179124 | Technical grade can also be used |
| Tetrahydrofuran, 99.9 % (THF) | Sigma-Aldrich | 494461 | |
| Dichloromethane, 99.5 % | Sigma-Aldrich | 443484 | Highly toxic |
| Hydrochloric acid, 37 % | Sigma-Aldrich | 435570 | Harmful fumes |
References
- Iijima, S. Helical Microtubules of Graphitic Carbon. Nature. 354, 56-58 (1991).
- Iijima, S., Ichihashi, T. Single-Shell Carbon Nanotubes of 1-nm Diameter. Nature. 363, 603-605 (1993).
- Dai, H. Carbon Nanotubes: Synthesis, Integration and Properties. Acc. Chem. Res. 35, 1035-1044 (2002).
- Karousis, N., Tagmatarchis, N. Current Progress on the Chemical Modification of Carbon Nanotubes. Chem. Rev. 110, 5366-5397 (2010).
- Zhao, Y. L., Stoddart, J. F. Noncovalent Functionalization of Single-Walled Carbon Nanotubes. Acc. Chem. Res. 42, 1161-1171 (2009).
- Zelada-Guillén, G. A., Riu, J., Düzgün, A., Rius, F. X. Immediate Detection of Living Bacteria at Ultralow Concentrations Using a Carbon Nanotube Based Potentiometric Aptasensor. Angew. Chem. Int. Ed. 48, 7334-7337 (2009).
- Zelada-Guillén, G. A., Blondeau, P., Rius, F. X., Riu, J. Carbon Nanotube-Based Aptasensors for the Rapid and Ultrasensitive Detection of Bacteria. Methods. 63, 233-238 (2013).
- Jung, Y., Li, X., Rajan, N. K., Taylor, A. D., Reed, M. A. Record High Efficiency Single-Walled Carbon Nanotube/Silicon p-n Junction Solar Cells. Nano Lett. 13, 95-99 (2013).
- Escárcega-Bobadilla, M. V., Rodríguez-Pérez, L., Teuma, E., Serp, P., Masdeu-Bultó, A. M., Gómez, M. Rhodium Complexes Containing Chiral P-Donor Ligands as Catalysts for Asymmetric Hydrogenation in Non Conventional Media. Chem. Soc. Rev. 141, 808-816 (2011).
- Miners, S. A., Rance, G. A., Khlobystov, A. N. Chemical Reactions Confined within Carbon Nanotubes. Chem. Soc. Rev. 45, 4727-4746 (2016).
- Rege, K., Raravikar, N. R., Kim, D. Y., Schadler, L. S., Ajayan, P. M., Dordick, J. S. Enzyme-Polymer-Single Walled Carbon Nanotube Composites as Biocatalytic Films. Nano Lett. 3, 829-832 (2003).
- Ma, R., Menamparambath, M. M., Nikolaev, P., Baik, S. Transparent Stretchable Single-Walled Carbon Nanotube-Polymer Composite Films with Near-Infrared Fluorescence. Adv. Mater. 25, 2548-2553 (2013).
- De Volder, M. F. L., Tawfick, S. H., Baughman, R. H., Hart, A. J. Carbon Nanotubes: Present and Future Commercial Applications. Science. 339, 535-539 (2013).
- Lehn, J. M. Perspectives in Chemistry - Steps towards Complex Matter. Angew. Chem. Int. Ed. 52, 2836-2850 (2013).
- Mattia, E., Otto, S.
- Leh, J. M. Supramolecular Chemistry: Concepts and Perspectives. , VCH Verlagsgesellschaft GmBH. Weinheim, Germany. (1995).
- Escárcega-Bobadilla, M. V., et al. Nanorings and Rods Interconnected by Self-Assembly Mimicking an Artificial Network of Neurons. Nat. Commun. 4, 2648 (2013).
- Gegenhuber, T., et al. Noncovalent Grafting of Carbon Nanotubes with Triblock Terpolymers: Toward Patchy 1D Hybrids. Macromolecules. 48, 1767-1776 (2015).
- Peng, H., Alemany, L. B., Margrave, J. L., Khabashesku, V. N. Sidewall Carboxylic Acid Functionalization of Single-Walled Carbon Nanotubes. J. Am. Chem. Soc. 125, 15174-15182 (2003).
- Furtado, C. A., Kim, U. J., Gutierrez, H. R., Pan, L., Dickey, E. C., Ecklund, P. C. Debundling and Dissolution of Single-Walled Carbon Nanotubes in Amide Solvents. J. Am. Chem. Soc. 126, 6095-6105 (2004).
- Jeon, J. H., Lim, J. H., Kim, K. M. Fabrication of Hybrid Nanocomposites with Polystyrene and Multiwalled Carbon Nanotubes with Well-Defined Polystyrene via Multiple Atom Transfer Radical Polymerization. Polymer. 50, 4488-4495 (2009).
- Kim, M., Hong, C. K., Choe, S., Shim, S. E. Synthesis of Polystyrene Brush on Multiwalled Carbon Nanotubes Treated with KMnO4 in the Presence of a Phase-Transfer Catalyst. J. Polym. Sci. Pol. Chem. 45, 4413-4420 (2007).
- Oliveira, E. Y. S., Bode, R., Escárcega-Bobadilla, M. V., Zelada-Guillén, G. A., Maier, G. Polymer Nanocomposites from Self-Assembled Polystyrene-Grafted Carbon Nanotubes. New J. Chem. 40, 4625-4634 (2016).
- Shriver, D. F., Drezdzon, M. A. The Manipulation of Air-Sensitive Compounds. , John Wiley and Sons. New York, NY, USA. (1986).
- Bressy, C., Ngo, V. G., Ziarelli, F., Margaillan, A. New Insights into the Adsorption of 3-(Trimethoxysilyl)-propylmethacrylate on Hydroxylated ZnO Nanopowders. Langmuir. 28, 3290-3297 (2012).
- Wu, X., Qiu, J., Liu, P., Sakai, E., Lei, L. Polystyrene Grafted Carbon Black Synthesis via in situ Solution Radical Polymerization in Ionic Liquid. J. Polym. Res. 20, 167 (2013).
