• Моно- и двуслойни графен nanosheets могат да се произвеждат бързо чрез ултразвукова ексфолиране с висока производителност и ниска цена.
• Ултразвуково експандиран графен може да бъде функционализиран с биополимери за да се получи вододиспергируеми графен.
• Чрез ултразвукова кавитация, синтезираният графен могат допълнително да бъдат преработени в стабилна водна основа дисперсия.

Ултразвуков Ексфолирането на висококачествени Графенът

Ultrasonication е надежден метод за получаване на графенови слоеве (моно-, би- и няколко слоя графен) от графитни люспи или частици. Докато други техники обща ексфолиращ като сачмени и ролкови мелници или смесители с високо срязване са свързани с ниско качество и използването на агресивни реагенти и разтворители, методът на ултразвукова ексфолиране убеждава от високото качество на продукцията, висок капацитет процес и меки условия на обработка.
Ултразвуковата кавитация създава интензивни сили на срязване, които разделят подредените графитни слоеве на моно-, дву- и няколко слоя графен без дефекти.

Вододиспергируеми графенови листове чрез ултразвук

Ultrasonication е ефективна процедура с повтарящи се резултати за разплитане на въглеродни нанотръби във вода или органични разтворители. [/надпис] При нормални условия графенът трудно се диспергира във вода и образува агрегати и агломерати, когато се диспергира във водна среда. Тъй като водните системи имат значителни предимства, че са евтини, нетоксични, екологични, графенови системи на водна основа са много привлекателни за производителите на графен и индустрията надолу по веригата.
За да се получи водо-диспергируемо графен nanosheets, на ултразвуково експандиран графен е модифициран с полизахариди / биополимери като пулулан, хитозан, алгинат, желатин или арабска гума.

Протокол за директно ексфолиране на графит с помощта на ултразвук

Нейоногенният пулулан и анионният алгинат (1,0 g) се разтварят поотделно в 20 ml дестилирана вода, докато катионният хитозан (0,4 g) се разтваря в 20 ml дестилирана вода с 1 wt% оцетна киселина. Графитният прах се диспергира във водните биополимерни разтвори и се обработва с помощта на ултразвуков апарат тип сонда UP200S (максимална мощност 200 W, честота 24 kHz, Hielscher Ultrasonics, Германия), оборудван с титанов издатина (микро връх S3, диаметър на върха 3 mm, максимална амплитуда 210μm, акустична плътност на мощността или интензитет на повърхността 460 W cm-2) при следните условия: 0,5 цикъл и 50% амплитуда, за период от съответно 10, 20, 30 и 60 минути. Най-добри резултати са получени при 30min ултразвук. Соникацията се прилага при мощност от 16,25 W за 30 минути, с консумация на енергия (изходна енергия на единица обем) от 731 Ws ml-1.
Впоследствие смесите се центрофугират при 1500 rpm за 60 min, за да се отстранят неексфолираните графитни частици и след това се измиват 5 пъти и отново се центрофугират при 5000 rpm за 20 min, за да се отстранят излишните биополимери. Получените тъмносиви разтвори се изсушават във вакуум при 40ºC, докато няма загуба на маса. Получените полимер-графенови прахове се редиспергират във вода (1 mg ml-1 за пулулан и хитозан; 0,18 mg ml-1 за алгинат) за характеризиране. Графен листове, получени чрез пулулан-, алгинат-, и хитозан подпомага ултразвук са посочени като pull-G, alg-G, и chit-G, съответно.
От трите системи, пулулана и хитозан са по-ефективни за ексфолиране на графит от алгинат. Този метод дава експандиран моно-, би-, и няколко слоя графен листа само с ниски странични ръбове () дефекти. Адсорбцията на биополимери за графен повърхност се получава дълготрайна стабилност (повече от 6 месеца) на водната дисперсия.
(срв. Unalan et al. 2015)

Високоскоростна последователност (от a до f) от рамки, илюстриращи соно-механично ексфолиране на графитна люспа във вода използване на UP200S, 200W ultrasonicator с 3-мм издатина. Стрелките показват мястото на разделяне (ексфолиране) с кавитационни мехурчета, проникващи в разделянето.
(проучване и снимки: © Tyurnina et al. 2020

Ultrasonicators за графен ексфолиране

Hielscher висока мощност ултразвукови процесори се използват в световен мащаб за успешното ексфолиране и дисперсия на графит и графен. Нашите ултразвукови разпръсквачи са на разположение от лаборатория и пейка-отгоре до пълни промишлени производствени единици. Освен здравина, 24/7 работа и ниска поддръжка, Hielscher ultrasonicators убеждават с висока лекота на обработка и линейна мащабируемост.
Процесите могат лесно да бъдат тествани и оптимизирани в лабораторията. След това всички резултати от процеса могат да бъдат мащабирани напълно линейни в търговското равнище на производството. Това прави звукообработка ефективен и ефикасен метод за големия обем на висококачествени графенови листи производство.
Hielscher Ultrasonics промишлени ултразвукови процесори могат да доставят много високи амплитуди. Амплитуди до 200μm могат лесно да се изпълняват непрекъснато в 24/7 операция. За още по-високи амплитуди са налични персонализирани ултразвукови синсинсинди. Съвпадение ултразвукови реактори гарантират способността на надеждна и безопасна масово производство на висококачествени графен nanosheets, както и стабилни nanosheet дисперсии.

Достоверността на ултразвуково оборудване Hielscher се дава възможност за 24/7 работа при тежки условия и в трудни условия.
Таблицата по-долу дава индикация за приблизителната капацитет за преработка на нашите ultrasonicators: