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Monday, June 28, 2010

Characterization of the dispersion properties of carbon nanotubes in ionic liquids by the separation behaviour in the centrifugal field


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Characterization of the dispersion properties of carbon nanotubes in ionic liquids by the separation behaviour in the centrifugal field


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T. Sobisch, D. Lerche
LUM Berlin/Germany www.LUM-gmbh.com
Y. Korth, C. Friedrich
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg/Germany www.fmf.uni-freiburg.de
Scope
Carbon nanotubes are considered as nano materials with a broad application potential, e.g. as filler, in electronic devices and batteries. The relatively good dispersibility in ionic liquids is an interesting approach.
Carbon nanotubes in ionic liquids tend to form extended inter-tangled fibre networks, however, for efficient application a high degree of dispersion is required.
In this study dispersions of different multiwalled carbon nanotube products in 1-butyl-3-methyl-imidazoliniumtetrafluoroborat (BMIBF4) were characterized by multisample analytical centrifugation with high resolution photometric detection. Based on the sedimentation/consolidation behaviour pronounced differences in the degree of network formation and in the packing density were identified. The size distribution of the products was also determined by multisample analytical centrifugation.
Carbon nanotube dispersions [1]
Raw materials














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Fig. 1 Overview over materials used and below related TEM pictures
The 3 different products used differ largely in material properties and morphology (Fig. 1)


Dispersion preparation
In a first step the nanotubes were dispersed in ethanol by sonication. After adding BMIBF4 sonication was repeated and in a third step the ethanol was evaporated. Dispersions of 1 % m/m were prepared. For the centrifugal analysis dispersions were further diluted to 0.1 % m/m.
Method of multisample analytical centrifugation
Time and space resolved detection of light transmission (STEP-Technology) combined with multisample analytical centrifugation (LUMiSizer, LUM, Germany, [2-4]) was applied, which measures concentration changes inside the sample by high resolution photometric detection (see Fig. 2).






















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Fig. 2 Measurement scheme of the multisample analytical centrifuge. Local changes are detected during centrifugation. The distribution of transmission is recorded over the whole sample length at predefined time intervals.
Up to 12 different samples can be analysed at the same time at constant or variable centrifugal acceleration up to 2300 g. The shape and progression of the transmission profiles contain the information on the dispersion properties. The transmission profiles (Fig. 4) are representative for the distribution of particle concentration inside the sample (low transmission means high, high transmission means low particle concentration). Based on this, sedimentation and clarification kinetics, the dependence between packing density and pressure, as well as the velocity and particle size distribution can be obtained. Polycarbonate cells with an optical path length of 2.1 mm were used.


Results and discussion
Size distributions























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Fig. 3 Comparison of the cumulative intensity weighted distribution of the 3 products.
The particle size is obtained as equivalent particle diameter according to the hydrodynamic diameter of spherical particles. Therefore the large asymmetry of the nanotubes will have a pronounced impact on these results. Nevertheless, it can be seen that the Nanocyl product has a narrower distribution and lacks the coarse fraction present in the two other products.


Separation behaviour as function of raw material


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Fig. 4 Transmission profiles obtained during 2 hours centrifugation at 2300 g as function of the raw material used (first profile after 10 seconds in red, last profile after 2 hours in green).
As obvious from Fig. 4 the evolution of transmission profiles during centrifugation can be used as finger print to distinct the 3 products. All 3, especially Nanocyl, exhibit a different behaviour.
The transmission profiles depict the transmission as function of the position inside the sample given as distance from the centre of rotation.
In case of Nanocyl sharp vertical profiles are obtained showing that all particles move with identical velocity. The distance between the consecutive profiles is narrowing due to the resistance to compaction is increasing with the packing density obtained. This is characteristic for a flocculated particle network, in this case for a network of entangled nanotubes. For the other 2 products there is no sharp sedimentation front, instead the transmission is gradually decreasing towards the cell bottom. This relates to a polydisperse sedimentation, the particles or aggregates/agglomerates move with different velocity. It can be further noticed that for these two dispersions sediment (range of minimum transmission close to the bottom) is formed instantaneously followed by a gradual increase of transmission in the supernatant. Therefore, it can be concluded that there is a fast settling of aggregates/agglomerates followed by the separation of fines.
On a closer look for Polytech&Net one can observe a gradual compression of the instantaneously formed sediment (particle network).
According to the sediment height the order of packing density is:
Nanocyl <>
From the comparison of the transmission profiles it can be concluded that the Iolitek has the highest dispersibility, Nanocyl has a pronounced tendency to form an entangled network.


Influence of the degree of ultrasonication on separation kinetics

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Fig. 5 Separation kinetics as function of intensity of sonication for the centrifugation of 0.1 % dispersion of Nanocyl in BMIBF4 at 2300 g.
For Nanocyl the intensity of sonication during dispersion was varied, abbreviated as CE.10.42, CE.10.43, CE.65.45 (amplitude and duration: 10 % 5 min / 10 % 8 min / 65% 16 min). Fig. 5 exhibits the related separation kinetics (movement of the boundary supernatant/dispersion with time). Increasing the sonication intensity the separation slows down and the equilibrium sediment height increases (difference between position of the cell bottom and the position of the boundary towards the sediment), i.e. the packing density decreases.


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Fig. 6 Compression-dilation kinetics of the sediment formed after 2 hours centrifugation in Nanocyl dispersions as function of sonication intensity. The centrifugal acceleration was increased step-wise and then decreased.
As shown in Fig. 6 sediments formed in case of Nanocyl (compacted particle network) exhibit elastic behaviour. The packing density calculated from sediment volume and particle concentration decreases with intensity of sonication.
References
[1] Y. Korth, PhD thesis Rheologische und morphologische Eigenschaften von Fasernetzwerken
Freiburg i. Breisgau, Univ., Diss., 2010
[2] D. Lerche, Dispersion stability and particle characterisation by sedimentation kinetics in a centrifugal field
J. Dispersion Sci. Technol. 23, 5, 699 ‑ 709 (2002)
[3] G.G. Badolato, F. Aguilar, H.P. Schuchmann, T. Sobisch and D. Lerche, Evaluation of long term stability of model emulsions by multisample analytical centrifugation,
Progr. Colloid Polym. Sci. 134 66–73 (2008)
[4] T. Sobisch and D. Lerche, Thickener performance traced by multisample analytical centrifugation
Colloids & Surfaces A 331 114-118 (2008)

Tuesday, June 22, 2010

Bisphenol A Massenchemikalie mit unerwünschten ... UBA Hintergrundpapier

Bisphenol A - Massenchemikalie mit unerwünschten Nebenwirkungen

Hintergrundpapier Umweltbundesamt

'Bisphenol A war eine der ersten synthetischen
Substanzen, von der bekannt wurde, dass sie das natürliche
weibliche Sexualhormon Östrogen in der
Wirkung nachahmen kann. Die britischen Biochemiker
Edward Charles Dodds und Wilfrid Lawson suchten
1936 nach Chemikalien, die in der Lage waren, in
der medizinischen Therapie das natürliche Östrogen zu
ersetzen. Dieses weibliche Hormon war extrem teuer,
da es bis dahin aufwändig aus dem Urin schwangerer
Stuten aufbereitet werden musste.....
Bisphenol A steckt in vielen Alltagsprodukten: in CDs
und DVDs, im Kassenzettel aus Thermopapier oder in
Plastikschüsseln. Doch was ist Bisphenol A, wofür wird
es eigentlich verwendet und in welchen Mengen?'

Zusammenfassung

Bisphenol A ist in vielen Produkten unseres täglichen
Lebens. Der größte Teil des produzierten Bisphenol A
wird zu stabilen Kunststoffen verarbeitet (Polykarbonat
und Epoxidharzen). Unter bestimmten Bedingungen
kann sich die Chemikalie aus Gebrauchsgegenständen
lösen – wie aus der Beschichtung von Dosen – und
über die Nahrung oder über die Haut – wie bei
Thermopapier – in den menschlichen Körper gelangen.
Hier kann die Substanz wie das weibliche
Sexualhormon Östrogen wirken.
Bisphenol A gelangt auch in den Wasserkreislauf
und somit in den Körper von Wasserorganismen.
Messungen der letzten Jahre wiesen Bisphenol A in vielen
Gewässern nach. Der Stoff stammt im Wesentlichen
aus den Kläranlagen der Unternehmen, die Bisphenol A
produzieren und verarbeiten.
Besteht ein Risiko für Mensch und Umwelt? Sind darum
gesetzliche Maßnahmen zum Schutz vor Bisphenol A
notwendig?
Zahlreiche Studien belegen, dass Bisphenol A in das
Hormonsystem von Säugern und Gewässerorganismen
eingreift. Es gibt Untersuchungen, die der Chemikalie
bereits bei niedrigen Konzentrationen negative
Effekte auf die Sexualität sowie einen Zusammenhang
mit dem Auftreten von Diabetes und Herz-
Kreislauferkrankungen nachweisen. Zudem gibt es
Hinweise darauf, dass der Stoff die Entwicklung geistiger
Fähigkeiten und des Verhaltens beeinträchtigen
kann und Aggressivität fördert und Lernen hemmt. Die
wissenschaftlichen Ergebnisse, die bis heute vorliegen,
sind jedoch nicht ohne Widersprüche. Viele Studien
werden von Wissenschaftlern kontrovers diskutiert.
Auch für einige Tierarten (z.B. Schnecken) stellen
Studien fest, dass Bisphenol A bereits in sehr niedrigen
Konzentrationen die Fortpflanzung stört. Jedoch ist die
Auswertung dieser Ergebnisse umstritten, da viele dieser
Tests methodische Mängel haben.
Im EU-Altstoffprogramm gemäß Altstoffverordnung
(EWG) Nr. 793/93 bewerteten die EU-Mitgliedstaaten
das Risiko von Bisphenol A für Mensch und Umwelt.
Das Ergebnis: bei sachgemäßer Verwendung von
Produkten auf Bisphenol A-Basis besteht für die
Verbraucherinnen und Verbraucher kein Anlass zur
Sorge vor gesundheitlichen Gefahren. Auch die europäische
Lebensmittelbehörde EFSA kommt zu diesem
Schluss. Nicht alle EU-Länder teilen ein so eindeutiges
Ergebnis. Dänemark und Frankreich zum Beispiel
haben vorsorglich weitergehende Maßnahmen für
bestimmte Produkte erlassen. Kanada hat inzwischen
aus Vorsorgegründen Bisphenol A-haltige Babyflaschen
verboten. Auch aus der fachlichen Sicht des UBA ergibt
sich ein ausreichendes Besorgnispotenzial. Zahlreiche
wissenschaftliche Befunde ergeben insgesamt ein
konsistentes Bild, so dass trotz der Unsicherheiten
und Wissenslücken bei der Risikobewertung und der
Expositionshöhe Handlungsbedarf besteht. Das UBA
spricht sich darum dafür aus, vorsorgend tätig zu
werden und die Verwendung einiger Produkte, die
Bisphenol A enthalten, zu beschränken.
Auch für die Umwelt bewertet die EU das Risiko als
vertretbar. Die errechneten Konzentrationen in der
Umwelt liegen deutlich unterhalb der Werte, bei denen
Wirkungen auf Boden- und Wasserorganismen zu erwarten
sind. Gleichzeitig liefern verschiedene Studien
Anhaltspunkte dafür, dass das Risiko für Gewässer- und
Sedimentorganismen möglicherweise bisher unterschätzt
wird.
Mit der europäischen Chemikalienverordnung REACH
stehen die Bisphenol A-Hersteller und Verwender in
der Pflicht, ihre Eigenverantwortung wahrzunehmen.
Sie müssen darstellen, unter welchen Bedingungen
Bisphenol A über den gesamten Lebensweg sicher
verwendet werden kann. Falls nötig müssen sie hierzu
Risikominderungsmaßnahmen einleiten.
Diese Informationen wird das Umweltbundesamt verwenden,
um die Risikobewertung für Bisphenol A zu
überprüfen. Das UBA wird dann entscheiden, ob aus
fachlicher Sicht zusätzliche gesetzliche Maßnahmen zur
Risikominderung in der Umwelt notwendig und der EU
zu empfehlen sind. Dabei sind für Bedarfsgegenstände
mit Bisphenol A auch produktrechtliche
Regelungsoptionen zu prüfen. Grundsätzlich empfiehlt
das UBA, den Gehalt von Bisphenol A in Produkten weiter
zu begrenzen. Außerdem rät das UBA Herstellern,
Importeuren und Verwendern von Bisphenol A, für alle
Einsatzgebiete des Stoffes, die wesentlich zu Exposition
von Mensch und Umwelt beitragen, gesundheits- und
umweltfreundlichere Alternativen zu verwenden. Damit
kann ein wichtiger Beitrag zur Produktverantwortung
bei einem Stoff, bei dem vorsorglicher Schutz von
Mensch und Umwelt angezeigt ist, geleistet werden.