Fonctionnalisation et dispersion des nanomatériaux de carbone à l'aide d'un processus d'ozonolyse ultrasonée respectueux de l'environnement
Summary
Ici, une nouvelle méthode pour la fonctionnalisation et la dispersion stable des nanomatériaux de carbone dans des environnements aqueux est décrite. L'ozone est injecté directement dans une dispersion aqueuse de nanomatériaux de carbone qui est recyclée en continu à travers une cellule ultrasonore haute puissance.
Abstract
La fonctionnalisation des nanomatériaux de carbone est souvent une étape critique qui facilite leur intégration dans des systèmes et des dispositifs de matériaux plus importants. Dans la forme reçue, les nanomatériaux de carbone, tels que les nanotubes de carbone (CNT) ou les nano-plaquettes de graphène (GNP), peuvent contenir de gros agglomérats. Les agglomérats et les impuretés diminuent les avantages des propriétés électriques et mécaniques uniques offertes lorsque les CNT ou les GNP sont incorporés dans des polymères ou des systèmes de matériaux composites. Bien qu'il existe une variété de méthodes pour fonctionnaliser les nanomatériaux de carbone et pour créer des dispersions stables, de nombreux procédés utilisent des produits chimiques agressifs, des solvants organiques ou des tensioactifs qui sont désagréables pour l'environnement et peuvent augmenter le fardeau de traitement lors de l'isolement des nanomatériaux pour une utilisation ultérieure. La recherche actuelle détaille l'utilisation d'une technique alternative et respectueuse de l'environnement pour la fonctionnalisation des CNT et des PNB. Il produit des dispersions stables et aqueuses exemptes de préjudiceUl produits chimiques. Les CNT et les GNP peuvent être ajoutés à de l'eau à des concentrations allant jusqu'à 5 g / L et peuvent être recyclés à travers une cellule ultrasonore haute puissance. L'injection simultanée d'ozone dans la cellule oxyde progressivement les nanomatériaux de carbone, et l'échographie combinée décompose les agglomérats et expose immédiatement le matériau frais à la fonctionnalisation. Les dispersions préparées sont idéales pour le dépôt de films minces sur des substrats solides en utilisant un dépôt électrophorétique (EPD). Les CNT et les GNP des dispersions aqueuses peuvent être facilement utilisés pour revêtir des fibres de renforcement du carbone et du verre en utilisant EPD pour la préparation de matériaux composites hiérarchiques.
Introduction
L'utilisation de nanomatériaux de carbone pour modifier les systèmes polymères et composites a connu un intérêt de recherche intense au cours des 20 dernières années. Des examens récents sur l'utilisation des nanotubes de carbone 1 (CNT) et des nanoplaquetopes de graphène 2 (GNP) fournissent une indication de l'ampleur de la recherche. La rigidité et la résistance spécifiques élevées des CNT et des GNP, ainsi que leur haute conductivité électrique intrinsèque, rendent les matériaux idéaux pour l'incorporation dans des systèmes polymères afin d'améliorer à la fois les performances mécaniques et électriques des matériaux nanocomposés. Les CNT et les GNP ont également été utilisés pour le développement de structures composites hiérarchiques en utilisant les nanomatériaux de carbone pour modifier l'adhérence interfaciale fibreuse et la rigidité matricielle 3 , 4 .
La dispersion homogène des nanomatériaux de carbone dans les systèmes polymères nécessite souventÉtapes de traitement, qui modifient chimiquement les nanomatériaux pour améliorer la compatibilité chimique avec la matrice polymère, éliminer les impuretés et réduire ou éliminer les agglomérats des matériaux reçus. Une variété de méthodes pour modifier chimiquement les nanomatériaux de carbone sont disponibles et peuvent inclure l'oxydation chimique humide à l'aide d'acides forts 5 , 6 , la modification avec les tensioactifs 7 , l'intercalation électrochimique et l'exfoliation 8 , ou le traitement chimique sec en utilisant des procédés à base de plasma 9 .
L'utilisation d'acides forts dans l'étape d'oxydation des CNT introduit des groupes fonctionnels à l'oxygène et élimine les impuretés. Cependant, il présente l'inconvénient de réduire considérablement la longueur de la CNT, d'endommager les parois extérieures de la CNT et d'utiliser des produits chimiques dangereux, qui doivent être isolés du matériau traité pour un traitement ultérieur 10 </ Sup>. L'utilisation d'agents tensio-actifs combinés avec des ultrasons offre une méthode moins agressive pour préparer des dispersions stables, mais le tensioactif est souvent difficile à éliminer du matériau traité et peut ne pas être compatible avec le polymère utilisé pour préparer les matériaux nanocomposés 1 , 11 . La force de l'interaction chimique entre la molécule de tensioactif et CNT ou PNP peut également être insuffisante pour les applications mécaniques. Les procédés de traitement par plasma à sec menés dans des conditions atmosphériques peuvent être appropriés pour la fonctionnalisation de tableaux de CNT, présents sur des fibres ou des surfaces planes, utilisés pour préparer des composites hiérarchiques 9 . Cependant, le plasma atmosphérique est plus difficile à appliquer sur les poudres sèches et ne traite pas des problèmes liés aux agglomérats présents dans les nanomatériaux de carbone brut fabriqués.
Dans le présent travail, nous présentons une description détaillée de l'échographieMéthode de l'ozonolyse glacée (USO) que nous avons précédemment appliquée aux nanomatériaux de carbone 12 , 13 , 14 . Le procédé USO est utilisé pour préparer des dispersions aqueuses stables adaptées au dépôt électrophorétique (EPD) à la fois CNT et GNP sur le carbone et les fibres de verre. Des exemples d'EPD utilisant des CNT fonctionnalisés par USO pour déposer des films minces et uniformes sur des substrats en acier inoxydable et en tissu de carbone seront fournis. Les méthodes et les résultats typiques utilisés pour caractériser chimiquement les CNT et les GNP fonctionnalisés seront également fournis, en utilisant à la fois la spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS) et la spectroscopie Raman. Une brève discussion des résultats de la caractérisation par rapport à d'autres techniques de fonctionnalisation sera fournie.
Avis sur la santé et la sécurité au travail
Les effets de l'exposition aux nanoparticules telles que les CNT, sur la santé humaine, ne sont pas bien compris. IlEst recommandé de prendre des mesures spéciales pour minimiser l'exposition et éviter la contamination de l'environnement par des poudres CNT. Les mesures proposées pour l'isolement des risques comprennent le fonctionnement dans une hotte équipée de filtre HEPA et / ou une boîte à gants. Les mesures d'hygiène du travail comprennent le port de vêtements de protection et deux couches de gants et le nettoyage régulier des surfaces à l'aide de serviettes en papier humides ou d'un aspirateur avec un filtre HEPA pour éliminer les poudres parasites de la CNT. Les articles contaminés doivent être enlevés pour l'élimination des déchets dangereux.
L'exposition à l'ozone peut irriter les yeux, les poumons et les voies respiratoires, et à des concentrations plus élevées peut causer des dommages aux poumons. Il est recommandé de prendre des mesures pour minimiser l'exposition personnelle et environnementale aux gaz ozone générés. Les mesures d'isolement comprennent le fonctionnement dans une hotte aspirante. Étant donné que le flux d'air de retour contiendra de l'ozone inutilisé, il devrait être transmis à travers une unité de destruction d'ozone avant de lâcher l'atmosphère. Les dispersions qui ont eu de l'ozone à travers elles contiennent de l'ozone dissout. Après les opérations d'ozonolyse, permettre aux dispersions de s'asseoir pendant 1 h avant de procéder à un traitement ultérieur afin que l'ozone puisse subir une décomposition naturelle.
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
La composante non salariale du travail a été financée par le Commonwealth d'Australie. L'auteur de l'Université du Delaware remercie le soutien de la National Science Foundation des États-Unis (Grant # 1254540, Mary Toney, directrice de programme). Les auteurs remercient M. Mark Fitzgerald pour son aide aux mesures de dépôts électrophorétiques.
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).
