Grafen nanoplatelets (GNP'er) kan syntetiseres og dispergeres med høj effektivitet og pålidelighed ved hjælp af sonikatorer. Højintensiv ultralydbehandling anvendes til at eksfoliere grafit og opnå grålagsgrafen, ofte omtalt som grafen nanoplatelets. Sonikering udmærker sig også ved at opnå fremragende grafen nanoplatelet fordeling i både lave og meget viskøse suspensioner.

Grafen nanoplatelet behandling – Overlegne resultater med sonikering

Til grafen nanoplatelet behandling, sonde-type sonikatorer er mest effektive, pålidelige og nemme at bruge værktøj. Da ultralydbehandling kan anvendes til syntese, dispersion og funktionalisering af grafen nanoplatelets, sonikatorer anvendes til talrige grafen-relaterede applikationer:

• Eksfoliering og syntese Sonde-type sonikatorer bruges til at eksfoliere grafit i få-lags grafen eller grafen nanoplatelets. Den højintensive ultralydbehandling forstyrrer mellemlagskræfterne og nedbryder grafitten i mindre, individuelle ark grafen.
• Spredning: Opnåelse af ensartet spredning af grafennanotrombocytter i et flydende medium er afgørende for alle grafenrelaterede applikationer. Sonde-type sonikatorer kan sprede nanoplatelets jævnt i hele væsken, forhindre agglomerering og sikre en stabil suspension.
• Funktionalisering: Sonikering letter funktionaliseringen af grafen nanoplatelets ved at fremme vedhæftning af funktionelle grupper eller molekyler til deres overflader. Denne funktionalisering forbedrer deres kompatibilitet med specifikke polymerer eller materialer.

Grafen nanoplatelet syntese via sonikering

Grafen nanoplatelets kan syntetiseres ved ultralyd-assisteret grafit eksfoliering. Derfor sonikeres en grafitsuspension ved anvendelse af en sonde-type ultralydhomogenisator. Denne procedure er blevet testet med meget lave (f.eks. 4wt% eller lavere) til høje faste (f.eks. 10wt% eller højere) koncentrationer.
 
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.

Højopløsnings transmissionselektronmikroskopbilleder af grafennanoark opnået
via ultralydassisteret vandig fasedispersion og Hummer-metode.
(Undersøgelse og grafik: Ghanem og Rehim, 2018)

Hvad er forskellen mellem grafenark og nanoplatelets?

Grafenplader og grafennanoblodplader er begge nanomaterialer sammensat af grafen, som er et enkelt lag kulstofatomer arrangeret i et sekskantet gitter. Nogle gange bruges grafenark og grafennanoblodplader som udskiftelige udtryk. Men videnskabeligt er der et par forskelle mellem disse grafennanomaterialer: Den primære forskel mellem grafenark og grafennanoblodplader ligger i deres struktur og tykkelse. Grafenplader består af et enkelt lag kulstofatomer og er usædvanligt tynde, mens grafennanoblodplader er tykkere og sammensat af flere stablede grafenlag. Disse strukturelle forskelle kan påvirke deres egenskaber og egnethed til specifikke anvendelser. Anvendelsen af sonde-type sonikatorer er en yderst effektiv og effektiv teknik til at syntetisere, sprede og funktionalisere grafen enkeltlags grafenark samt få-lags stablede grafen nanoplatelets.

Grafisk visualisering af ultralydsyntesen af grafen nanoplatelets ved hjælp af sonikatoren UP100H
(Undersøgelse og grafik: Ghanem og Rehim, 2018)

Spredning af grafen nanoblodplader ved hjælp af sonikering

Den ensartede spredning af grafennanotrombocytter (BNI) er afgørende i forskellige anvendelser, fordi den direkte påvirker egenskaberne og ydeevnen af de resulterende materialer eller produkter. Derfor er sonikatorer installeret til grafen nanoplatelet dispersioner i forskellige brancher. Følgende industrier er fremtrædende eksempler på brugen af power-ultralyd:
 

• Nanokompositter: Grafen nanoplatelets kan inkorporeres i forskellige nanokompositmaterialer, såsom polymerer, for at forbedre deres mekaniske, elektriske og termiske egenskaber. Sonde-type sonikatorer støtte i ensartet dispergering nanoplatelets i polymer matrix, resulterer i forbedret materiale ydeevne.
• Elektroder og batterier: Grafen nanoplatelets anvendes til udvikling af højtydende elektroder til batterier og superkondensatorer. Sonikering hjælper med at skabe godt dispergerede grafenbaserede elektrodematerialer med øget overfladeareal, hvilket forbedrer energilagringskapaciteten.
• Katalyse: Sonikering kan bruges til at forberede katalytiske materialer baseret på grafen nanoplatelets. Den ensartede dispersion af katalytiske nanopartikler på grafenoverfladen kan forbedre katalytisk aktivitet i forskellige reaktioner.
• Sensorer: Grafen nanoplatelets kan anvendes i fremstillingen af sensorer til forskellige applikationer, herunder gas sensing, biosensing, og miljøovervågning. Sonikering sikrer homogen fordeling af nanoblodpladerne i sensormaterialer, hvilket fører til forbedret følsomhed og ydeevne.
• Belægninger og film: Sonde-type sonikatorer bruges til at forberede grafen nanoplatelet-baserede belægninger og film til applikationer i elektronik, rumfart og beskyttende belægninger. Ensartet spredning og korrekt vedhæftning til substrater er afgørende for disse applikationer.
• Biomedicinske applikationer: I biomedicinske applikationer, grafen nanoplatelets kan anvendes til drug delivery, billeddannelse, og vævsteknik. Sonikering hjælper med forberedelsen af grafenbaserede nanopartikler og kompositter, der anvendes i disse applikationer.

SEM-billeder af grafennanoblodplader ved b) X3000 og c) X8000
(Undersøgelse og billeder: ©Alizadeh et al., 2018)

Videnskabeligt dokumenterede resultater for ultralydsgrafen nanoplatelet dispersioner

Forskere har brugt Hielscher sonikatorer til syntese og spredning af grafen nanoplatelets i talrige undersøgelser og testet virkningerne af ultralydbehandling kraftigt. Nedenfor kan du finde et par eksempler på vellykket blanding af grafen nanoplatelets i forskellige blandinger såsom vandige opslæmninger, expoy harpikser eller mørtel.
 
En fælles procedure for pålidelig, hurtig og ensartet spredning af grafen nanoplatelets er følgende procedure:
Til dispersion blev grafen nanoplatelets sonikeret inden for ren acetone ved hjælp af Hielscher ultralydsblander UP400S i næsten en time for at forhindre en agglomerering af grafenark. Acetone blev fuldstændigt fjernet ved fordampning. Derefter blev grafennanoblodpladerne tilsat ved 1 vægt% af epoxysystemet og blev sonikeret i epoxyharpiksen ved 90W i 15 minutter.
(jf. Cakir et al., 2016)
 
En anden undersøgelse undersøger forstærkningen af ioniske væskebaserede nanofluider (ionanofluider) ved at tilføje grafen nanoplatelets. For overlegen dispersion blev blandingen af grafen nanoplatelets, ionisk væske og natriumdodecylbenzensulfonat homogeniseret under anvendelse af Hielscher-sonde-type sonikator UP200S i ca. 90 minutter.
(jf. Alizadeh et al., 2018)

 
Tragazikis et al. (2019) rapporterer den effektive inkorporering af grafen nanoblodplader i mørtel. Derfor blev vandige grafensuspensioner fremstillet ved tilsætning af nanoblodplader - ved vægte indskrevet af det ønskede målindhold i de resulterende materialer - i blandinger af almindeligt ledningsvand og blødgøringsmiddel og efterfølgende magnetisk omrøring i 2 minutter. Suspensionerne blev homogeniseret ved ultralydbehandling i 90 minutter ved stuetemperatur ved hjælp af en Hielscher UP400S-enhed (Hielscher Ultrasonics GmbH) udstyret med en 22 mm-sonotrode, der leverer en effektgennemstrømning på 4500 J / min med en frekvens på 24 kHz. Den specifikke kombination af energihastighed og sonikeringsvarighed blev etableret som optimal efter en omhyggelig undersøgelse af effekten af ultralydbehandlingsparametre af suspensionskvalitet.
(jf. Tragazikis et al., 2019)
 
Zainal et al. (2018) siger i deres forskning, at en korrekt dispersionsteknik såsom sonikering sikrer, at nanomaterialer såsom grafennanoplatetelets kan forbedre egenskaberne af infillmaterialer. Dette skyldes det faktum, at dispersion er en af de vigtigste faktorer for produktionen af nanokompositter af høj kvalitet, såsom epoxy fugemasse.

Højtydende sonikatorer til grafen nanoplatelet behandling

Hielscher Ultrasonics er markedsleder, når det kommer til højtydende ultralydapparater til nanomaterialebehandling. Hielscher sonde-type sonikatorer anvendes over hele verden i laboratorier og industrielle indstillinger til forskellige applikationer, herunder behandling af grafen nanoplatelets.
State-of-the-art teknologi, tysk håndværk og teknik samt lang tid teknisk erfaring gør Hielscher Ultrasonics din foretrukne partner for vellykket ultralyd ansøgning.

Design, fremstilling og rådgivning – Kvalitet fremstillet i Tyskland

Hielscher ultralydapparater er kendt for deres højeste kvalitet og design standarder. Robusthed og nem betjening muliggør en jævn integration af vores ultralydapparater i industrielle faciliteter. Hårde forhold og krævende miljøer håndteres let af Hielscher ultralydapparater.

Hielscher Ultrasonics er et ISO-certificeret firma og lægger særlig vægt på højtydende ultralydapparater med state-of-the-art teknologi og brugervenlighed. Selvfølgelig er Hielscher ultralydapparater CE-kompatible og opfylder kravene i UL, CSA og RoHs.

Tabellen nedenfor giver dig en indikation af den omtrentlige forarbejdningskapacitet hos vores ultralydapparater: