פונקציונליזציה ופיזור של פחמן ננו באמצעות תהליך ידידותי לסביבה Ultrasonicated Ozonolysis
Summary
הנה, שיטה חדשה עבור functionalization ופיזור יציב של ננו פחמן בסביבות מימיות מתואר. אוזון מוזרק ישירות לתוך פיזור מימית של ננו פחמן כי הוא recirculated ברציפות באמצעות תא קולי גבוהה מופעל.
Abstract
פונקציונליזציה של ננו פחמן הוא לעתים קרובות צעד קריטי המאפשר את האינטגרציה שלהם לתוך מערכות חומר גדול והתקנים. ב-כפי שהתקבל הטופס, ננו פחמן, כגון צינורות פחמן (CNT) או nanoplatelets גרפן (GNPs), עשוי להכיל agglomerates גדול. הן agglomerates ו זיהומים תפחית את היתרונות של תכונות חשמליות מכניות ייחודי המוצע כאשר CNTs או GNPs משולבים פולימרים או מערכות חומר מרוכב. בעוד מגוון של שיטות קיימות פונקציונליזציה של ננו פחמן כדי ליצור dispersions יציב, רבים תהליכים להשתמש בכימיקלים קשים, ממיסים אורגניים, או פעילי שטח, שהם ידידותיים לסביבה ועשויים להגדיל את נטל עיבוד בעת בידוד ננו לשימוש הבא. המחקר הנוכחי מפרט את השימוש בטכניקה חלופית, ידידותית לסביבה עבור פונקציונליות של CNTs ותל"ג. הוא מייצר יציאות יציבים יציבים ללא נזקכימיקלים. שניהם CNTs ו GNPs ניתן להוסיף מים בריכוזים של עד 5 גרם / L והוא יכול להיות recirculated באמצעות תא קולי גבוהה. הזרקת בו זמנית של אוזון לתא בהדרגה oxidizes את ננו פחמן, ואת ultrasonication משולב שובר למטה agglomerates ומיד חושף חומר טרי עבור פונקציונליזציה. Dispersions מוכן הם אידיאליים עבור בתצהיר של סרטים דקים על מצעים מוצקים באמצעות בתצהיר אלקטרופורטי (EPD). CNTs ו GNPs מן dispersions מימית ניתן להשתמש בקלות כדי מעיל פחמן סיבי חיזוק זכוכית באמצעות EPD להכנת חומרים מרוכבים היררכי.
Introduction
השימוש ננו פחמן לשנות מערכות פולימריות מרוכבים ראה עניין מחקר אינטנסיבי על 20 השנים האחרונות. ביקורות אחרונות על השימוש של צינורות פחמן 1 (CNTs) ו nanoplatelets גרפן 2 (GNPs) לספק אינדיקציה של רוחב המחקר. נוקשות ספציפית גבוהה של CNTs ו GNPs, כמו גם מוליכות חשמלית גבוהה שלהם, להפוך את החומרים אידיאלי מתאים שילוב לתוך מערכות פולימריות כדי לשפר הן ביצועים מכניים וחשמליים של חומרים nanocomposite. CNTs ו GNPs יש גם שימשו לפיתוח מבנים מורכבים היררכי באמצעות ננו פחמן כדי לשנות הן הידבקות סיבים interfacial ונוקשות מטריקס 3 , 4 .
פיזור הומוגני של ננו פחמן לתוך מערכות פולימרי לעתים קרובות דורשעיבוד שלבים, אשר מבחינה כימית לשנות את ננו כדי לשפר את תאימות כימית עם מטריצה פולימר, להסיר זיהומים, ולהקטין או להסיר agglomerates מהחומרים כפי שהתקבלו. מגוון של שיטות כדי לשנות כימית ננו פחמן זמינים ויכולים לכלול חמצון כימי רטוב באמצעות חומצות חזקות 5 , 6 , שינוי עם פעילי שטח 7 , intercalation אלקטרוכימיים פילינג 8 , או עיבוד כימי יבש באמצעות תהליכים מבוססי פלזמה 9 .
השימוש בחומצות חזקות בשלב החמצון של CNTs מציג קבוצות תפקוד חמצן ומסיר זיהומים. עם זאת, יש לו את החיסרון של הפחתה משמעותית של אורך CNT, מציגה נזק לקירות החיצוניים CNT ושימוש בכימיקלים מסוכנים, אשר צריך להיות מבודד מן החומר שטופל לעיבוד נוסף 10 </ Sup>. השימוש פעילי שטח בשילוב עם ultrasonication מציע שיטה פחות אגרסיבית כדי להכין dispersions יציבה, אבל פעילי שטח הוא לעתים קרובות קשה להסיר מן החומר שטופל ולא יכול להיות תואם עם הפולימר בשימוש כדי להכין את החומרים nanocomposite 1 , 11 . חוזק האינטראקציה הכימית בין המולקולה פעילי שטח לבין CNT או GNP עשוי גם להיות לא מספיק עבור יישומים מכניים. תהליכי טיפול פלזמה יבשים המתבצעים בתנאים אטמוספריים עשויים להתאים למערכים פונקציונליים של CNT, הנמצאים על משטחים סיבים או מישוריים, המשמשים להכנת מרוכבים הירארכיים 9 . עם זאת, את האטמוספירה פלזמה קשה יותר ליישם אבקות יבש אינו מתייחס לבעיות עם agglomerates הנוכחי כמו מיוצרים ננו פחמן גלם.
בעבודה הנוכחית, אנו מציגים תיאור מפורט של ultrasonIcated-ozonolysis (USO) שיטה כי יש לנו בעבר החלת על ננו פחמן 12 , 13 , 14 . תהליך USO משמש להכנת פיזור יציב, מימי המתאימים להפצה אלקטרופורטית (EPD) הן CNTs ו- GNP על גבי סיבי פחמן וזכוכית. דוגמאות של EPD באמצעות USO-functionalized CNTs להפקיד דק, סרטים אחידים על גבי נירוסטה מצעים בד פחמן יסופקו. שיטות ותוצאות אופייניות המשמשות כדי לאפיין מבחינה כימית את CNTs פונקציונליות ותל"ג יהיה גם בתנאי, באמצעות רנטגן פוטואלקטרון ספקטרוסקופיה (XPS) וספקטרוסקופיית ראמאן. דיון קצר של תוצאות אפיון השוואה עם טכניקות פונקציונליזציה אחרים יסופקו.
הודעה על בריאות ובטיחות בעבודה
השפעת החשיפה לננו-חלקיקים כגון CNT, על בריאות האדם אינה מובנת היטב. זהמומלץ לנקוט צעדים מיוחדים כדי למזער את החשיפה ולהימנע מזיהום סביבתי עם אבקות CNT. הצעדים המוצעים לבדיקת סיכונים כוללים עבודה בתוך ארון אדים מצויד מסנן HEPA ו / או כפפות. אמצעי היגיינה תעסוקתית כוללים הלבשת בגדי מגן ושתי שכבות של כפפות וביצוע ניקוי שוטף של משטחים באמצעות מגבות נייר לחות או שואב אבק עם מסנן HEPA להסרת אבקות CNT תועה. מאמרים מזוהמים צריך להיות ארוז עבור סילוק פסולת מסוכנת.
חשיפה לאוזון יכולה לגרות את העיניים, הריאות, מערכת הנשימה, ועל ריכוזים גבוהים יותר עלול לגרום נזק ריאות. מומלץ לנקוט בצעדים לצמצום החשיפה האישית והסביבתית להפקת גז האוזון. אמצעי בידוד כוללים עבודה בתוך ארון קטר. כמו זרם האוויר לחזור יכיל אוזון בשימוש, זה צריך להיות עבר דרך יחידת אוזון להשמיד לפני שחרור לתוך אטמוכַּדוּר. דיספרסיונים שאובון מבעבע דרכם יכיל אוזון מומס. לאחר פעולות ozonolysis, לאפשר dispersions לשבת במשך שעה 1 לפני התחייבות עיבוד נוסף, כך האוזון יכול לעבור פירוק טבעי.
Protocol
Representative Results
Discussion
When working with nanoparticles of high hardness, such as CNTs, the potential erosion effect on containers and tubing should not be overlooked. Step 1.14 in the protocol was inserted after the tubing became worn at a bend due to CNTs impinging on the tube side wall, causing a system leak.
Also, note that the CNTs are in suspension, not solution, and that they must be stirred before each use if a homogeneous suspension is desired. For example, this would be necessary to maintain the desired con…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
מרכיב השכר של העבודה מומן על ידי חבר המדינות של אוסטרליה. המחבר מאוניברסיטת דלוור מודה בתמיכת הקרן הלאומית למדע של ארה"ב (גרנט # 1254540, ד"ר מרי טוני, מנהל התוכנית). המחברים מודים למר מארק פיצג 'רלד על עזרתו עם המדידות בתצהיר אלקטרופורטי.
Materials
| Ultrasonic bath | Soniclean | 80TD | |
| Ultrasonic horn | Misonix | S-4000-010 with CL5 converter | Daintree Scientific |
| Flocell stainless steel water jacketed | Misonix | 800BWJ | Daintree Scientific |
| Peristaltic pump | Masterflex easy-load | 7518-00 | |
| Controller for peristaltic pump | Masterflex modular controller | 7553-78 | |
| Ozone generator | Ozone Solutions | TG-20 | |
| Ozone destruct unit | Ozone Solutions | ODS-1 | |
| Recirculating liquid cooler | Thermoline | TRC2-571-T | |
| Multi-mode power supply unit | TTi | EX752M | |
| High resolution computing multimeter | TTi | 1906 | |
| X-ray photoelectron spectroscopy | Kratos Analytical | Axis Nova | |
| XPS analysis software | Casa Software | Casa XPS | www.casaxps.com |
| Kratos elemental library for use with Casa XPS | Casa Software | Download Kratos Related Files | http://www.casaxps.com/kratos/ |
| Raman dispersive confocal microscope | Thermo | DXR | |
| Field emission scanning electron microscope | Leo | 1530 VP | |
| Sputter coater with iridium target | Cressington | 208 HR | |
| Thickness measurement unit | Cressington | mtm 20 | |
| Magnetic stirrer | Stuart | CD162 | |
| Analytical balance | Kern | ALS 220-4N | |
| Analytical balance | Mettler Toledo | NewClassic MF MS 2045 | |
| Laboratory balance | Shimadzu | ELB 3000 | |
| Electrodes from 316 stainless steel sheet | RS Components | 559-199 | |
| Sanding sheets, P1000 grade | Norton | No-Fil A275 | |
| Multi-walled carbon nanotubes | Hanwha | CM-95 | http://hcc.hanwha.co.kr/eng/business/bus_table/nano_02.jsp |
| Graphene nanoplatelets | XG Sciences | XGNP Grade C | http://xgsciences.com/products/graphene-nanoplatelets/grade-c/ |
References
- Pandey, G., Thostenson, E. T. Carbon Nanotube-Based Multifunctional Polymer Nanocomposites. Polym. Rev. 52 (3), 355-416 (2012).
- Das, T. K., Prusty, S. Graphene-Based Polymer Composites and Their Applications. Polym.-Plast. Technol. 52 (4), 319-331 (2013).
- Karger-Kocsis, J., Mahmood, H., Pegoretti, A. Recent advances in fiber/matrix interphase engineering for polymer composites. Prog. Mater. Sci. 73, 1-43 (2015).
- Qian, H., Greenhalgh, E. S., Shaffer, M. S. P., Bismarck, A. Carbon nanotube-based hierarchical composites: a review. J. Mater. Chem. 20 (23), 4751-4762 (2010).
- Hummers, W. S., Offeman, R. E. Preparation of graphitic oxide. J. Am. Chem. Soc. 80, 1339-1339 (1958).
- Shaffer, M. S. P., Fan, X., Windle, A. H. Dispersion and Packing of Carbon Nanotubes. Carbon. 36 (11), 1603-1612 (1998).
- Hamon, M. A., et al. Dissolution of Single-Walled Carbon Nanotubes. Adv. Mater. 11, 834-840 (1999).
- Low, C. T. J., et al. Electrochemical approaches to the production of graphene flakes and their potential applications. Carbon. 54, 1-21 (2013).
- Rider, A. N., et al. Hierarchical composites with high-volume fractions of carbon nanotubes: Influence of plasma surface treatment and thermoplastic nanophase-modified epoxy. Carbon. 94, 971-981 (2015).
- Tchoul, M. N., Ford, W. T., Lolli, G., Resasco, D. E., Arepalli, S. Effect of Mild Nitric Acid Oxidation on Dispersability, Size, and Structure of Single-Walled Carbon Nanotubes. Chem. Mater. 19, 5765-5772 (2007).
- Gong, X., Liu, J., Baskaran, S., Voise, R. D., Young, J. S. Surfactant-Assisted Processing of Carbon Nanotube/Polymer Composites. Chem. Mater. 12, 1049-1052 (2000).
- An, Q., Rider, A. N., Thostenson, E. T. Electrophoretic deposition of carbon nanotubes onto carbon-fiber fabric for production of carbon/epoxy composites with improved mechanical properties. Carbon. 50 (11), 4130-4143 (2012).
- An, Q., Rider, A. N., Thostenson, E. T. Heirarchical composite structures prepared by electrophoretic deposition of carbon nanotubes onto glass fibers. ACS Appl. Mater. Interfac. 5 (6), 2022-2032 (2013).
- Rider, A. N., An, Q., Thostenson, E. T., Brack, N. Ultrasonicated-ozone modification of exfoliated graphite for stable aqueous graphitic nanoplatelet dispersions. Nanotechnology. 25 (49), 495607 (2014).
- Fairley, N. . CasaXPS Manual 2.3.15 Introduction to XPS and AES, Rev. 1.2. , (2009).
- Leiro, J., Heinonen, M., Laiho, T., Batirev, I. Core-level XPS spectra of fullerene, highly oriented pyrolitic graphite, and glassy carbon. J. Electron Spectrosc. 128, 205-213 (2003).
- . . DXR Raman Instruments: Getting Started. , (2008).
- . . Cressington 208HR High Resolution Sputter Coater for FE-SEM: Operating Manual. , (2003).
- Krishnamoorthy, K., Veerapandian, M., Yun, K., Kim, S. -. J. The chemical and structural analysis of graphene oxide with different degrees of oxidation. Carbon. 53, 38-49 (2013).
- Hamaker, H. C. Formation of a Deposit by Electrophoresis. T. Faraday Soc. 35, 279-287 (1940).
- Rider, A. N., An, Q., Brack, N., Thostenson, E. T. Polymer nanocomposite – fiber model interphases: Influence of processing and interface chemistry on mechanical performance. Chem. Eng. J. 269, 121-134 (2015).
