Grafenové nanodestičky (HNP) mohou být syntetizovány a dispergovány s vysokou účinností a spolehlivostí pomocí sonikátorů. Ultrazvuku s vysokou intenzitou se používá k exfoliaci grafitu a získání grafenu s několika vrstvami, často označovaných jako grafenové nanodestičky. Sonikace také vyniká při dosahování vynikající distribuce grafenových nanodestiček v nízkých i vysoce viskózních suspenzích.

Zpracování grafenových nanodestiček – Vynikající výsledky s sonikací

Pro zpracování grafenových nanodestiček jsou sondové sonikátory nejúčinnějším, nejspolehlivějším a snadno použitelným nástrojem. Vzhledem k tomu, ultrazvuku lze použít pro syntézu, disperzi a funkcionalizaci grafenových nanodestiček, sonikátory se používají pro četné aplikace související s grafenem:

• Exfoliace a syntéza Soniocyty typu sondy se používají k exfoliaci grafitu do několikavrstvých grafenových nebo grafenových nanodestiček. Ultrazvuku s vysokou intenzitou narušuje mezivrstvové síly a rozkládá grafit na menší, jednotlivé listy grafenu.
• Disperze: Dosažení rovnoměrné disperze grafenových nanodestiček v kapalném médiu je zásadní pro všechny aplikace související s grafenem. Sontikáty typu sondy mohou rozptýlit nanodestičky rovnoměrně po celé kapalině, což zabraňuje aglomeraci a zajišťuje stabilní suspenzi.
• Funkcionalizace: Sonikace usnadňuje funkcionalizaci grafenových nanodestiček tím, že podporuje připojení funkčních skupin nebo molekul k jejich povrchům. Tato funkcionalizace zvyšuje jejich kompatibilitu se specifickými polymery nebo materiály.

Syntéza grafenových nanodestiček pomocí ultrazvuku

Grafenové nanodestičky mohou být syntetizovány ultrazvukem asistovanou exfoliací grafitu. Proto je grafitová suspenze sonikována pomocí ultrazvukového homogenizátoru typu sondy. Tento postup byl testován s velmi nízkými (např. 4 % hm. nebo nižšími) až vysokými (např. 10 % hm. nebo vyššími) koncentracemi.
 
Ghanem and Rehim (2018) report the ultrasonic exfoliation of graphite in water with the aid of sodium dodecyl benzene sulfonate (SDS) in order to prepare dispersed graphene nanoplatelets using a the probe-type sonicator UP 100H allowed for the successful preparation of defect-free few-layer graphene (>5). The following precursor was used: reduced graphene nanosheets were prepared via Hummer method and treated with two additional steps, oxidation of graphite followed by reduction of graphene oxide. Thereby, dispersed graphene nanoplatelets were obtained in water via solvent dispersion method (see scheme below). Graphite layers were exfoliated with sonication using the probe-type sonicator UP100H (100 W). 0.25 g SDS was dissolved in 150 mL deionized water and then 0.5 g of graphite was added. The graphite solution was sonicated for 12h in an ice bath and then the suspension solution was centrifuged at 686× g for 30 min to remove the large particles. The precipitate was discarded and supernatant was re-centrifuged for 90 min at 12,600× g. The obtained dispersed graphene nanoplatelets were washed well several times to get rid of the surfactant. Finally, the product was dried at 60ºC under vacuum.

Získané snímky grafenových nanolistů z transmisních elektronových mikroskopů s vysokým rozlišením
pomocí ultrazvukem asistované vodné fázové disperze a metody Hummer.
(Studie a grafika: Ghanem a Rehim, 2018)

Jaký je rozdíl mezi grafenovými listy a nanodestičkami?

Grafenové desky a grafenové nanodestičky jsou nanomateriály složené z grafenu, což je jediná vrstva atomů uhlíku uspořádaných v hexagonální mřížce. Někdy se grafenové listy a grafenové nanodestičky používají jako zaměnitelné termíny. Ale vědecky existuje několik rozdílů mezi těmito grafenovými nanomateriály: Primární rozdíl mezi grafenovými listy a grafenovými nanodestičkami spočívá v jejich struktuře a tloušťce. Grafenové listy se skládají z jedné vrstvy atomů uhlíku a jsou výjimečně tenké, zatímco grafenové nanodestičky jsou silnější a skládají se z více vrstv grafenu. Tyto strukturální rozdíly mohou ovlivnit jejich vlastnosti a vhodnost pro konkrétní aplikace. Použití sondových sonicators je vysoce účinná a efektivní technika pro syntézu, rozptýlení a funkcionalizaci grafenových jednovrstvých grafenových listů, stejně jako několikavrstvých vrstvých grafenových nanodestiček.

Grafika vizualizace ultrazvukové syntézy grafenových nanodestiček pomocí sonikátoru UP100H
(Studie a grafika: Ghanem a Rehim, 2018)

Disperze grafenových nanodestiček pomocí sonikace

Rovnoměrná disperze grafenových nanodestiček (HNP) je zásadní v různých aplikacích, protože přímo ovlivňuje vlastnosti a výkon výsledných materiálů nebo produktů. Proto jsou sonikátory instalovány pro disperze grafenových nanodestiček v různých průmyslových odvětvích. Následující průmyslová odvětví jsou významnými příklady použití ultrazvuku:
 

• Nanokompozity: Grafenové nanodestičky mohou být začleněny do různých nanokompozitních materiálů, jako jsou polymery, aby se zlepšily jejich mechanické, elektrické a tepelné vlastnosti. Soniocyty typu sondy pomáhají rovnoměrně rozptýlit nanodestičky v polymerní matrici, což vede ke zlepšení výkonu materiálu.
• Elektrody a baterie: Grafenové nanodestičky se používají při vývoji vysoce výkonných elektrod pro baterie a superkondenzátory. Sonikace pomáhá vytvářet dobře rozptýlené elektrodové materiály na bázi grafenu se zvýšenou povrchovou plochou, což zlepšuje možnosti skladování energie.
• Katalýza: Sonikace může být použita k přípravě katalytických materiálů na bázi grafenových nanodestiček. Rovnoměrná disperze katalytických nanočástic na povrchu grafenu může zvýšit katalytickou aktivitu v různých reakcích.
• Senzory: Grafenové nanodestičky mohou být použity při výrobě senzorů pro různé aplikace, včetně snímání plynů, biosensingu a monitorování životního prostředí. Sonikace zajišťuje homogenní distribuci nanodestiček v senzorových materiálech, což vede ke zlepšení citlivosti a výkonu.
• Nátěry a fólie: Sonikové-typ sonicators se používají k přípravě grafenových nanodestičkových povlaků a filmů pro aplikace v elektronice, letectví a ochranných nátěrech. Jednotná disperze a správná přilnavost k podkladům jsou pro tyto aplikace klíčové.
• Biomedicínské aplikace: V biomedicínských aplikacích mohou být grafenové nanodestičky použity pro dodávání léků, zobrazování a tkáňové inženýrství. Sonikace pomáhá při přípravě nanočástic a kompozitů na bázi grafenu používaných v těchto aplikacích.

SEM snímky grafenových nanodestiček na (b) X3000 a (c) X8000
(Studie a obrázky: ©Alizadeh et al., 2018)

Vědecky prokázané výsledky pro ultrazvukové grafenové nanodestičkové disperze

Vědci použili Hielscher sonicators pro syntézu a disperzi grafenových nanodestiček v mnoha studiích a testovali účinky ultrazvuku energicky. Níže naleznete několik příkladů úspěšného míchání grafenových nanodestiček do různých směsí, jako jsou vodné kaly, expoy pryskyřice nebo malty.
 
Běžným postupem pro spolehlivou a rychlou rovnoměrnou disperzi grafenových nanodestiček je následující postup:
Pro disperzi byly grafenové nanodestičky sonikovány v čistém acetonu pomocí ultrazvukového mixéru Hielscher UP400S po dobu téměř jedné hodiny, aby se zabránilo aglomeraci grafenových listů. Aceton byl zcela odstraněn odpařováním. Poté byly grafenové nanodestičky přidány při 1 hm. % epoxidového systému a sonikovány v epoxidové pryskyřici při 90 W po dobu 15 minut.
(srov. Cakir et al., 2016)
 
Další studie zkoumá posílení nanofluidů na bázi iontové kapaliny (ionanofluidy) přidáním grafenových nanodestiček. Pro vynikající disperzi byla směs grafenových nanodestiček, iontové kapaliny a dodecylbenzensulfonátu sodného homogenizována pomocí Hielscherova sonometru typu sondy UP200S po dobu přibližně 90 min.
(srov. Alizadeh et al., 2018)

 
Tragazikis et al. (2019) uvádějí efektivní začlenění grafenových nanodestiček do malty. Proto byly vodné suspenze grafenu vyrobeny přidáním nanodestiček – při hmotnostech vepsaných požadovaným cílovým obsahem ve výsledných materiálech – ve směsích běžné vody z vodovodu a změkčovadla a následným magnetickým mícháním po dobu 2 minut. Suspenze byly homogenizovány ultrazvuku po dobu 90 minut při pokojové teplotě pomocí zařízení Hielscher UP400S (Hielscher Ultrasonics GmbH) vybaveného sonotrodou 22mm, která poskytuje propustnost výkonu 4500 J / min při frekvenci 24 kHz. Specifická kombinace rychlosti energie a trvání sonikace byla stanovena jako optimální po pečlivém vyšetření účinku ultrazvuku parametrů kvality suspenze.
(srov. Tragazikis et al., 2019)
 
(2018) ve svém výzkumu uvádějí, že správná disperzní technika, jako je sonikace, zajišťuje, že nanomateriály, jako jsou grafenové nanodestičky, mohou zlepšit vlastnosti výplňových materiálů. To je způsobeno skutečností, že disperze je jedním z nejdůležitějších faktorů pro výrobu vysoce kvalitních nanokompozitů, jako je epoxidová zálivka.

Vysoce výkonné sonikátory pro zpracování grafenových nanodestiček

Hielscher Ultrasonics je lídrem na trhu, pokud jde o vysoce výkonné ultrasonicators pro zpracování nanomateriálů. Hielscher sonda typu sonicators se používají po celém světě v laboratořích a průmyslových prostředích pro různé aplikace, včetně zpracování grafenových nanodestiček.
Nejmodernější technologie, německé řemeslo a inženýrství, stejně jako dlouholeté technické zkušenosti, činí Hielscher Ultrasonics preferovaným partnerem pro úspěšnou ultrazvukovou aplikaci.

Návrh, výroba a poradenství – Kvalita Vyrobeno v Německu

Hielscher ultrasonicators jsou dobře známé pro jejich nejvyšší kvalitu a designové standardy. Robustnost a snadná obsluha umožňují hladkou integraci našich ultrasonicators do průmyslových zařízení. Drsné podmínky a náročná prostředí jsou snadno zvládnutelné Hielscher ultrasonicators.

Hielscher Ultrasonics je společnost certifikovaná ISO a klade zvláštní důraz na vysoce výkonné ultrasonicators představovat state-of-the-art technologie a uživatelská přívětivost. Samozřejmě, Hielscher ultrasonicators jsou CE kompatibilní a splňují požadavky UL, CSA a RoHs.

Níže uvedená tabulka vám dává informaci o přibližné zpracovatelské kapacity našich ultrasonicators: