Tổng hợp và đặc trưng hóa các lớp nanosheet bor nitride lục giác được graft polystyrene và ứng dụng tiềm năng của chúng trong chất lỏng truyền nhiệt

Iranian Polymer Journal - Tập 26 - Trang 467-480 - 2017
Mehdi Salehirad1, Mir Mohammad Alavi Nikje1
1Department of Chemistry, Faculty of Science, Imam Khomeini International University, Qazvin, Iran

Tóm tắt

Ba phương pháp khác nhau đã được sử dụng để phát triển các lớp nanosheet bor nitride lục giác (h-BN) được biến tính bề mặt, và quá trình grafting polystyrene được thực hiện thông qua việc hình thành liên kết cộng hóa trị gián tiếp giữa các lớp nanosheet h-BN đã được sửa đổi và các phân tử styrene thông qua phương pháp polymer hóa gốc điều khiển bắt đầu bề mặt (SI-ATRP). Trong tất cả các phương pháp, một alkyl bromide được giới thiệu như một vị trí khởi đầu ATRP trên các lớp nanosheet h-BN, và một phản ứng SI-ATRP của styrene từ bề mặt h-BN cố định đã thành công. Cấu trúc của các lớp nanosheet h-BN graft PS (PS-g-h-BN) đã được xác định và đặc trưng hóa bằng quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier, phân tích nhiệt trọng lượng, kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường, kính hiển vi điện tử truyền qua và kính hiển vi lực nguyên tử. Việc chức năng hóa đã thúc đẩy quá trình bóc tách cấu trúc lớp của h-BN thành các lớp mỏng có độ dày của các lớp này phụ thuộc vào kỹ thuật biến tính và nội dung polymer được graft trên các lớp nanosheet. Nội dung grafting cao nhất của PS-g-h-BN nanosheets đạt khoảng 20%, có thể nâng cao độ dẫn nhiệt của chất lỏng nan dựa trên dầu khoáng với nồng độ nanofiller tối thiểu (0,01 wt%). Các đặc tính điện và vật lý của chất lỏng nan cũng đã được nghiên cứu. Theo kết quả, sự giảm mất điện dielectrics khi nồng độ nanofiller tăng lên là một dấu hiệu cho thấy tính chất điện môi của chất lỏng nan đã được cải thiện. Ngoài ra, các phân tán nanosheet PS-g-h-BN đã được bóc tách cho thấy tính ổn định trong dầu khoáng lên đến 2 tháng và tính ổn định này có liên quan đến sự hiện diện của các chuỗi polymer và sự hình thành các tương tác van der Waals giữa polymer graft và chất lỏng.

Từ khóa


Tài liệu tham khảo

Saidura R, Leongb KY, Mohammadc HA (2011) A review on applications and challenges of nanofluids. Renew Sustain Energy Rev 15:1646–1668 Devendiran DK, Amirtham VA (2016) A review on preparation, characterization, properties and applications of nanofluids. Renew Sustain Energy Rev 60:21–40 Lin C, Rao Z (2017) Thermal conductivity enhancement of paraffin by adding boron nitride nanostructures: a molecular dynamics study. Appl Therm Eng 110:1411–1419 Uddin Siddiqui G, Rehman MM, Yang YJ, Choi KH (2017) A two-dimensional hexagonal boron nitride/polymer nanocomposite for flexible resistive switching devices. J Mater Chem C 5:862–871 İlhan B, Kurt M, Ertürk H (2016) Experimental investigation of heat transfer enhancement and viscosity change of h-BN nanofluids. Exp Therm Fluid Sci 77:272–283 Krishnam M, Bose S, Das C (2016) Boron nitride (BN) nanofluids as cooling agent in thermal management system (TMS). Appl Therm Eng 106:951–958 Nag A, Raidongia K, Hembram KP, Datta R, Waghmare UV, Rao CNR (2010) Graphene analogues of BN: novel synthesis and properties. ACS Nano 4:1539–1544 Song L, Liu Z, Mohana Reddy AL, Tharangattu N, Taha-Tijerina J, Peng J, Gao G, Lou J, Vajtai R, Ajayan PM (2012) Binary and ternary atomic layers built from carbon, boron, and nitrogen. Adv Mater 24:4878–4895 Pakdel A, Bando Y, Golberg D (2014) Nano boron nitride flatland. Chem Soc Rev 43:934–959 Bhimanapati GR, Glavin NR, Robinson JA (2016) Chapter Three – 2D boron nitride: synthesis and applications. Semiconduct Semimet 95:101–147 Ghadimi A, Saidur R, Metselaar HSC (2011) A review of nanofluid stability properties and characterization in stationary conditions. Int J Heat Mass Transf 54:4051–4068 Karthikeyan N, Philip J, Raj B (2008) Effect of clustering on the thermal conductivity of nanofluids. Mater Chem Phys 109:50–55 Li Y, Zhou J, Luo Z, Tung S, Schneider E, Wu J, Li X (2011) Investigation on two abnormal phenomena about thermal conductivity enhancement of BN/EG nanofluids. Nanoscale Res Lett 6:443–449 Weng Q, Wang X, Wang X, Bando Y, Golberg D (2016) Functionalized hexagonal boron nitride nanomaterials: emerging properties and applications. Chem Soc Rev 45:3989–4012 Deepika Li LH, Glushenkov AM, Hait SK, Hodgson P, Chen Y (2014) High-efficient production of boron nitride nanosheets via an optimized ball milling for lubrication in oil. Sci Rep 4:7288 Li LH, Chen Y, Behan G, Zhang H, Petravic M, Glushenkov AM (2011) Large-scale mechanical peeling of boron nitride nanosheets by low energy ball milling. J Mater Chem 21:11862–11866 Lin Y, Williams TV, Xu TB, Cao W, Elsayed-Ali HE, Connell JW (2011) Aqueous dispersions of few-layered and monolayered hexagonal boron nitride nanosheets from sonication-assisted hydrolysis: critical role of water. J Phys Chem C 115:2679–2685 Zhu J, Kang J, Kang J, Jariwala D, Wood J, Seo J, Chen K, Marks T, Hersam M (2015) Solution-processed dielectrics based on thickness-sorted two-D hexagonal boron nitride nanosheets. Nano Lett 15:7029–7036 Lin Y, Williams TV, Cao W, Elsayed-Ali HE, Connell JW (2010) Defect functionalization of hexagonal boron nitride nanosheets. J Phys Chem C 114:17434–17439 Sainsbury T, Satti A, May P, Wang Z, McGovern I, Gun’ko Y, Coleman J (2012) Oxygen radical functionalization of boron nitride nanosheets. J Am Chem Soc 134:18758–18771 Seyhana AT, Göncüa Y, Durukana O, Akaya A, Ay N (2017) Silanization of boron nitride nanosheets (BNNSs) through microfluidization and their use for producing thermally conductive and electrically insulating polymer nanocomposites. J Solid State Chem 249:98–107 Bhimanapatia GR, Kozucha D, Robinson JA (2014) Large-scale synthesis and functionalization of hexagonal boron nitride nanosheets. Nanoscale 6:11671–11675 Xie H, Chen L (2011) Review on the preparation and thermal performances of carbon nanotube contained nanofluids. J Chem Eng Data 56:1030–1041 Lei W, Mochalin V, Liu D, Qin S, Gogotsi Y, Chen Y (2015) Boron nitride colloidal solutions, ultralight aerogels and freestanding membranes through one-step exfoliation and functionalization. Nat Commun 6:8849–8856 Lin Y, Williams TV, Connell JW (2010) Soluble, exfoliated hexagonal boron nitride nanosheets. J Phys Chem Lett 1:277–283 Cui Z, Martinez A, Adamson D (2015) PMMA functionalized boron nitride sheets as nanofillers. Nanoscale 7:10193–10197 Nazarov AS, Demin VN, Grayfer ED, Bulavchenko AI, Arymbaeva AT, Shin H, Choi J, Fedorov VE (2012) Functionalization and dispersion of hexagonal boron nitride (h-BN) nanosheets treated with inorganic reagents. Chem Asian J 7:554–560 Lin Y, Connell JW (2011) Method for exfoliation of hexagonal boron nitride. Pub. No.: US 201110045223 Al Ejaz M, Rai S, Wang K, Zhang K, Zhoub W, Grayson S (2014) Surface-initiated atom transfer radical polymerization of glycidyl methacrylate and styrene from boron nitride nanotubes. J Mater Chem C 2:4073–4079 Hadasha W, Klumperman B (2014) Atom transfer radical polymerization as a powerful tool in the synthesis of molecular brushes. Polym Int 63:824–834 Hui CM, Pietrasik J, Schmitt M, Mahoney C, Choi J, Bockstaller MR, Matyjaszewski K (2014) Surface-initiated polymerization as enabling tool for multifunctional (nano) engineered hybrid materials. Chem Mater 26:745–762 Pietrasik J, Bombalski L, Cusick B, Huang J, Pyun J, Kowalewski T, Matyjaszewski K (2005) Controlling polymer chain topology and architecture by ATRP from flat surfaces. In: Stimuli-responsive polymeric films and coatings, Chap 2. Am Chem Soc, pp 28-42 Matyjaszewski K (2012) Atom transfer radical polymerization (ATRP): current status and future perspectives. Macromolecules 45:4015–4039 Fang M, Wang K, Lu H, Yang Y, Nutt S (2010) Single-layer graphene nanosheets with controlled grafting of polymer chains. J Mater Chem 20:1982–1992 Du M, Wu Y, Hao X (2013) A facile chemical exfoliation method to obtain large size boron nitride nanosheets. Cryst Eng Comm 15:1782–1786 Socrates G (2004) Infrared and raman characteristic group frequencies: tables and charts. Wiley, New York Seeliger F, Matyjaszewski K (2009) Temperature effect on activation rate constants in ATRP-new mechanistic insights into the activation process. Macromolecules 42:6050–6055 Horn M, Matyjaszewski K (2013) Solvent effects on the activation rate constant in atom transfer radical polymerization. Macromolecules 46:3350–3357 Tang W, Matyjaszewski K (2007) Effects of initiator structure on activation rate constants in ATRP. Macromolecules 40:1858–1863 Lee DJ, Lee B, Park KH, Ryu HJ, Jeon SK, Hong SH (2015) Scalable exfoliation process for highly soluble boron nitride nanoplatelets by hydroxide-assisted ball milling. Nano Lett 15:1238–1244 Alem N, Ramasse QM, Seabourne CR, Yazyev OV, Erickson K, Sarahan MC, Kisielowski C, Scott AJ, Louie SG, Zettl A (2012) Subangstrom edge relaxations probed by electron microscopy in hexagonal boron nitride. Phys Rev Lett 109:205502 Lin S, Shih C, Sresht V, Rajan AG, Strano MS, Blankschtein D (2016) Understanding the colloidal dispersion stability of 1D and 2D materials: perspectives from molecular simulations and theoretical modeling. In Press, Adv Colloid Interf Sci Prevost TA, Oommen TV (2006) Cellulose insulation in oil filled power transformers: part I-history and development. IEEE Electr Insul Mag 22:28–35 Taha-Tijerina J, Narayanan TN, Gao G, Rohde M, Tsentalovich DA, Pasquali M, Ajayan PM (2012) Electrically insulating thermal nano-oils using 2D fillers. ACS Nano 6:1214–1220 Żyła G, Fala J, Traciak J, Gizowska M, Perkowski K (2016) Huge thermal conductivity enhancement in boron nitride-ethylene glycol nanofluids. Mater Chem Phys 180:250–255 Suganthi K, Parthasarathy M, Rajan K (2013) Liquid-layering induced, temperature-dependent thermal conductivity enhancement in ZnO–propylene glycol nanofluids. Chem Phys Lett 561–562:120–124 Mishra PC, Mukherjee S, Nayak SK, Panda A (2014) A brief review on viscosity of nanofluids. Int Nano Lett 4:109–120 Larson RG (1999) The structure and rheology of complex fluids. Oxford University Press, New York Standal SH, Blokhus AM, Haavik J, Skauge A, Barth T (1999) Partition coefficients and interfacial activity for polar components in oil/water model systems. J Colloid Interface Sci 212:33–41