Funktionalisierung und Dispersion von Kohlenstoff-Nanomaterialien mit einem umweltfreundlichen Ultraschall-Ozonolyse-Prozess

Die Verwendung von Kohlenstoff-Nanomaterialien zur Modifizierung von Polymer- und Verbundwerkstoffen hat in den vergangenen 20 Jahren intensives Forschungsinteresse gesehen. Aktuelle Untersuchungen über die Verwendung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen ¹ (CNTs) und Graphen-Nanoplättchen ² (GNPs) geben einen Hinweis auf die Breite der Forschung. Die hohe spezifische Steifigkeit und Festigkeit von CNTs und GNPs sowie ihre hohe intrinsische elektrische Leitfähigkeit machen die Materialien ideal für den Einbau in polymere Systeme geeignet, um sowohl die mechanische als auch die elektrische Leistung der Nanokompositmaterialien zu verbessern. CNTs und GNPs wurden auch für die Entwicklung von hierarchischen Verbundstrukturen verwendet, indem die Kohlenstoff-Nanomaterialien verwendet wurden, um sowohl die Faser-Grenzflächenhaftung als auch die Matrixsteifigkeit ^{3 , 4 zu} modifizieren.

Die homogene Dispersion von Kohlenstoff-Nanomaterialien in polymeren Systemen erfordert oftVerarbeitungsschritte, die die Nanomaterialien chemisch verändern, um die chemische Verträglichkeit mit der Polymermatrix zu verbessern, Verunreinigungen zu entfernen und Agglomerate aus den so erhaltenen Materialien zu reduzieren oder zu entfernen. Eine Vielzahl von Verfahren zur chemischen Modifizierung von Kohlenstoff-Nanomaterialien ist verfügbar und kann eine nasschemische Oxidation unter Verwendung von starken Säuren ^{5 , 6} , Modifikation mit Tensiden ⁷ , elektrochemischer Interkalation und Peeling ⁸ oder trockenchemische Verarbeitung unter Verwendung von Plasma-basierten Verfahren ^{9 umfassen} .

Die Verwendung von starken Säuren im Oxidationsschritt von CNTs führt sauerstofffunktionelle Gruppen ein und entfernt Verunreinigungen. Allerdings hat es den Nachteil, die CNT-Länge deutlich zu reduzieren, Schäden an den CNT-Außenwänden einzuführen und gefährliche Chemikalien zu verwenden, die aus dem behandelten Material zur weiteren Verarbeitung ^{10 <} isoliert werden müssen/ Sup>. Die Verwendung von oberflächenaktiven Mitteln, kombiniert mit Ultraschall, bietet eine weniger aggressive Methode, um stabile Dispersionen herzustellen, aber das Tensid ist oft schwer von dem behandelten Material zu entfernen und kann nicht kompatibel mit dem Polymer sein, das zur Herstellung der Nanokompositmaterialien ^{1 , 11} verwendet ^wird . Die Stärke der chemischen Wechselwirkung zwischen dem Tensidmolekül und CNT oder GNP kann auch für mechanische Anwendungen unzureichend sein. Trockene Plasmabehandlungsverfahren, die unter atmosphärischen Bedingungen durchgeführt werden, können zur Funktionalisierung von Anordnungen von CNTs geeignet sein, die auf Faser- oder ebenen Oberflächen vorhanden sind und zur Herstellung von hierarchischen Verbundwerkstoffen verwendet werden ⁹ . Allerdings ist das atmosphärische Plasma schwieriger für trockene Pulver anzuwenden und behandelt nicht die Probleme mit Agglomeraten, die in so hergestellten Rohkohlenstoff-Nanomaterialien vorhanden sind.

In der vorliegenden Arbeit stellen wir eine detaillierte Beschreibung des Ultraschalls vorIced-ozonolyse (USO), die wir bisher auf Kohlenstoff-Nanomaterialien ^{12 , 13 , 14} angewendet ^haben . Das USO-Verfahren wird verwendet, um stabile, wässrige Dispersionen herzustellen, die für die elektrophoretische Abscheidung (EPD) sowohl CNTs als auch GNPs auf Kohlenstoff- und Glasfasern geeignet sind. Beispiele für EPD unter Verwendung von USO-funktionalisierten CNTs zum Abscheiden dünner, gleichförmiger Filme auf rostfreiem Stahl und Kohlenstoffgewebesubstraten werden bereitgestellt. Verfahren und typische Ergebnisse, die zur chemischen Charakterisierung der funktionalisierten CNTs und GNPs verwendet werden, werden auch unter Verwendung sowohl der Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) als auch der Raman-Spektroskopie bereitgestellt. Eine kurze Diskussion der Charakterisierungsergebnisse im Vergleich zu anderen Funktionalisierungstechniken wird zur Verfügung gestellt.

Arbeitssicherheit und Sicherheitshinweise

Die Auswirkungen der Exposition gegenüber Nanopartikeln wie CNTs, auf die menschliche Gesundheit sind nicht gut verstanden. EsWird empfohlen, besondere Maßnahmen zu ergreifen, um die Exposition gegenüber der Vermeidung von Umweltverschmutzungen mit CNT-Pulvern zu minimieren. Vorgeschlagene Gefahrenisolationsmaßnahmen umfassen die Arbeit in einem HEPA-Filter-ausgestatteten Abzug und / oder Handschuhfach. Arbeitshygienemaßnahmen beinhalten das Tragen von Schutzbekleidung und zwei Handschuhs und die regelmäßige Reinigung von Oberflächen mit feuchten Papiertüchern oder einem Staubsauger mit einem HEPA-Filter, um streunende CNT-Pulver zu entfernen. Verunreinigte Gegenstände sollten zur Entsorgung von gefährlichen Abfällen verpackt werden.

Die Ozonbelastung kann die Augen, die Lunge und die Atmungsorgane reizen und bei höheren Konzentrationen Lungenschäden verursachen. Es wird empfohlen, Maßnahmen zu ergreifen, um die persönliche und umweltbezogene Exposition gegenüber erzeugtem Ozongas zu minimieren. Isolationsmaßnahmen umfassen die Arbeit in einem Abzug. Da der Rückluftstrom unbenutztes Ozon enthält, sollte es durch eine Ozonzerstörungseinheit geleitet werden, bevor es in die atmo freigegeben wirdKugel. Dispersionen, die Ozon durch sie geblasen haben, enthalten einige gelöste Ozon. Nach Ozonolyse-Operationen lassen sich die Dispersionen für 1 h sitzen, bevor sie eine weitere Verarbeitung durchführen, damit das Ozon einer natürlichen Zersetzung unterliegen kann.