Νανοαιμοπετάλια γραφενίου που συντίθενται και διασκορπίζονται μέσω καθετήρα-υπερήχων

Τα νανοαιμοπετάλια γραφενίου (GNPs) μπορούν να συντεθούν και να διασκορπιστούν με υψηλή απόδοση και αξιοπιστία χρησιμοποιώντας υπερήχους. Υψηλής έντασης υπερήχους χρησιμοποιείται για την απολέπιση γραφίτη και να αποκτήσουν γραφένιο λίγων στρωμάτων, συχνά αναφέρεται ως νανοαιμοπετάλια γραφενίου. Κατεργασία με υπερήχους υπερέχει επίσης στην επίτευξη εξαιρετικής κατανομής νανοαιμοπεταλίων γραφενίου τόσο σε χαμηλά όσο και σε εξαιρετικά ιξώδη εναιωρήματα.

Επεξεργασία νανοαιμοπεταλίων γραφενίου – Ανώτερα αποτελέσματα με υπερήχους

Για την επεξεργασία νανοαιμοπεταλίων γραφενίου, οι υπερήχων τύπου ανιχνευτή είναι το πιο αποτελεσματικό, αξιόπιστο και εύχρηστο εργαλείο. Δεδομένου ότι υπερήχους μπορεί να εφαρμοστεί για σύνθεση, διασπορά και λειτουργικότητα των νανοαιμοπεταλίων γραφενίου, υπερήχων χρησιμοποιούνται για πολλές εφαρμογές που σχετίζονται με το γραφένιο:

• Απολέπιση και σύνθεση Οι υπερήχων τύπου ανιχνευτή χρησιμοποιούνται για την απολέπιση γραφίτη σε νανοαιμοπετάλια γραφενίου ή γραφενίου μικρής στιβάδας. Η υπερήχους υψηλής έντασης διαταράσσει τις δυνάμεις μεταξύ των στρωμάτων και διασπά τον γραφίτη σε μικρότερα, μεμονωμένα φύλλα γραφενίου.
• Διασπορά: Η επίτευξη ομοιόμορφης διασποράς νανοαιμοπεταλίων γραφενίου σε υγρό μέσο είναι ζωτικής σημασίας για όλες τις εφαρμογές που σχετίζονται με το γραφένιο. Οι υπερήχων τύπου ανιχνευτή μπορούν να διασκορπίσουν τα νανοαιμοπετάλια ομοιόμορφα σε όλο το υγρό, αποτρέποντας τη συσσωμάτωση και εξασφαλίζοντας ένα σταθερό εναιώρημα.
• Λειτουργικότητα: Κατεργασία με υπερήχους διευκολύνει τη λειτουργικότητα των νανοαιμοπεταλίων γραφενίου προωθώντας την προσκόλληση λειτουργικών ομάδων ή μορίων στις επιφάνειές τους. Αυτή η λειτουργικότητα ενισχύει τη συμβατότητά τους με συγκεκριμένα πολυμερή ή υλικά.

Σύνθεση νανοαιμοπεταλίων γραφενίου μέσω υπερήχων

Τα νανοαιμοπετάλια γραφενίου μπορούν να συντεθούν με απολέπιση γραφίτη με υπερήχους. Ως εκ τούτου, ένα εναιώρημα γραφίτη υπερήχων χρησιμοποιείται χρησιμοποιώντας έναν ομογενοποιητή υπερήχων τύπου καθετήρα. Αυτή η διαδικασία έχει δοκιμαστεί με πολύ χαμηλές (π.χ. 4wt% ή χαμηλότερες) έως υψηλές στερεές (π.χ. 10wt% ή υψηλότερες) συγκεντρώσεις.
 
Οι Ghanem και Rehim (2018) αναφέρουν την απολέπιση γραφίτη με υπερήχους σε νερό με τη βοήθεια δωδεκυλοβενζολικού σουλφονικού νατρίου (SDS) προκειμένου να παρασκευαστούν διασκορπισμένα νανοπλακίδια γραφενίου χρησιμοποιώντας τον ηχοβολέα τύπου καθετήρα UP 100H που επέτρεψε την επιτυχή παρασκευή γραφενίου λίγων στρώσεων χωρίς ατέλειες (>5). Χρησιμοποιήθηκε η ακόλουθη πρόδρομη ουσία: τα νανοπλακίδια μειωμένου γραφενίου παρασκευάστηκαν μέσω της μεθόδου Hummer και επεξεργάστηκαν με δύο πρόσθετα στάδια, οξείδωση του γραφίτη ακολουθούμενη από αναγωγή του οξειδίου του γραφενίου. Με τον τρόπο αυτό, ελήφθησαν διασκορπισμένα νανοπλακίδια γραφενίου σε νερό μέσω της μεθόδου διασποράς με διαλύτη (βλ. παρακάτω σχήμα). Τα στρώματα γραφίτη απολεπίστηκαν με ηχοβολισμό χρησιμοποιώντας τον ηχοβολέα τύπου καθετήρα UP100H (100 W). Διαλύθηκαν 0,25 g SDS σε 150 mL απιονισμένου νερού και στη συνέχεια προστέθηκαν 0,5 g γραφίτη. Το διάλυμα γραφίτη ηχοβολήθηκε για 12 ώρες σε παγόλουτρο και στη συνέχεια το διάλυμα εναιωρήματος φυγοκεντρήθηκε στα 686× g για 30 λεπτά για την απομάκρυνση των μεγάλων σωματιδίων. Το ίζημα απορρίφθηκε και το υπερκείμενο φυγοκεντρήθηκε εκ νέου για 90 λεπτά στα 12.600× g. Τα νανοπλακίδια γραφενίου που ελήφθησαν διασκορπισμένα πλύθηκαν καλά αρκετές φορές για να απαλλαγούν από την επιφανειοδραστική ουσία. Τέλος, το προϊόν ξηράνθηκε στους 60ºC υπό κενό.

Εικόνες ηλεκτρονικού μικροσκοπίου μετάδοσης υψηλής ανάλυσης νανοφύλλων γραφενίου που λαμβάνονται
μέσω υπερήχων υποβοηθούμενης υδατικής φάσης διασποράς και μεθόδου Hummer.
(Μελέτη και γράφημα: Ghanem and Rehim, 2018)

Ποια είναι η διαφορά μεταξύ φύλλων γραφενίου και νανοαιμοπεταλίων;

Τα φύλλα γραφενίου και τα νανοαιμοπετάλια γραφενίου είναι και τα δύο νανοϋλικά που αποτελούνται από γραφένιο, το οποίο είναι ένα μόνο στρώμα ατόμων άνθρακα διατεταγμένων σε εξαγωνικό πλέγμα. Μερικές φορές, τα φύλλα γραφενίου και τα νανοαιμοπετάλια γραφενίου χρησιμοποιούνται ως εναλλάξιμοι όροι. Αλλά επιστημονικά, υπάρχουν μερικές διαφορές μεταξύ αυτών των νανοϋλικών γραφενίου: Η κύρια διαφορά μεταξύ φύλλων γραφενίου και νανοαιμοπεταλίων γραφενίου έγκειται στη δομή και το πάχος τους. Τα φύλλα γραφενίου αποτελούνται από ένα μόνο στρώμα ατόμων άνθρακα και είναι εξαιρετικά λεπτά, ενώ τα νανοαιμοπετάλια γραφενίου είναι παχύτερα και αποτελούνται από πολλαπλά στοιβαγμένα στρώματα γραφενίου. Αυτές οι δομικές διαφορές μπορούν να επηρεάσουν τις ιδιότητές τους και την καταλληλότητά τους για συγκεκριμένες εφαρμογές. Η χρήση υπερήχων τύπου ανιχνευτή είναι μια εξαιρετικά αποτελεσματική και αποδοτική τεχνική για τη σύνθεση, τη διασπορά και τη λειτουργικότητα φύλλων γραφενίου μονής στρώσης γραφενίου καθώς και νανοαιμοπεταλίων γραφενίου στοιβαγμένων λίγων στρωμάτων.

Γραφική απεικόνιση της υπερηχητικής σύνθεσης νανοαιμοπεταλίων γραφενίου χρησιμοποιώντας τον υπερήχων UP100H
(Μελέτη και γράφημα: Ghanem and Rehim, 2018)

Διασπορά νανοαιμοπεταλίων γραφενίου χρησιμοποιώντας κατεργασία με υπερήχους

Η ομοιόμορφη διασπορά των νανοαιμοπεταλίων γραφενίου (GNPs) είναι ζωτικής σημασίας σε διάφορες εφαρμογές, επειδή επηρεάζει άμεσα τις ιδιότητες και την απόδοση των υλικών ή προϊόντων που προκύπτουν. Ως εκ τούτου, οι υπερήχων εγκαθίστανται για διασπορές νανοαιμοπεταλίων γραφενίου σε διάφορες βιομηχανίες. Οι ακόλουθες βιομηχανίες είναι εξέχοντα παραδείγματα για τη χρήση υπερήχων ισχύος:
 

• Νανοσύνθετα υλικά: Τα νανοαιμοπετάλια γραφενίου μπορούν να ενσωματωθούν σε διάφορα νανοσύνθετα υλικά, όπως πολυμερή, για να ενισχύσουν τις μηχανικές, ηλεκτρικές και θερμικές τους ιδιότητες. Οι υπερήχων τύπου ανιχνευτή βοηθούν στην ομοιόμορφη διασπορά των νανοαιμοπεταλίων μέσα στη μήτρα πολυμερούς, με αποτέλεσμα τη βελτίωση της απόδοσης του υλικού.
• Ηλεκτρόδια και μπαταρίες: Τα νανοαιμοπετάλια γραφενίου χρησιμοποιούνται στην ανάπτυξη ηλεκτροδίων υψηλής απόδοσης για μπαταρίες και υπερπυκνωτές. Κατεργασία με υπερήχους βοηθά στη δημιουργία καλά διασκορπισμένων υλικών ηλεκτροδίων με βάση το γραφένιο με αυξημένη επιφάνεια, γεγονός που βελτιώνει τις δυνατότητες αποθήκευσης ενέργειας.
• Κατάλυση: Κατεργασία με υπερήχους μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παρασκευή καταλυτικών υλικών με βάση νανοαιμοπετάλια γραφενίου. Η ομοιόμορφη διασπορά καταλυτικών νανοσωματιδίων στην επιφάνεια του γραφενίου μπορεί να ενισχύσει την καταλυτική δραστηριότητα σε διάφορες αντιδράσεις.
• Αισθητήρες: Τα νανοαιμοπετάλια γραφενίου μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην κατασκευή αισθητήρων για διάφορες εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένης της ανίχνευσης αερίων, της βιοανίχνευσης και της περιβαλλοντικής παρακολούθησης. Κατεργασία με υπερήχους εξασφαλίζει ομοιογενή κατανομή των νανοαιμοπεταλίων σε υλικά αισθητήρων, οδηγώντας σε βελτιωμένη ευαισθησία και απόδοση.
• Επιχρίσματα και μεμβράνες: Οι υπερήχων τύπου ανιχνευτή χρησιμοποιούνται για την παρασκευή επικαλύψεων και μεμβρανών με βάση νανοαιμοπετάλια γραφενίου για εφαρμογές στην ηλεκτρονική, την αεροδιαστημική και τις προστατευτικές επικαλύψεις. Η ομοιόμορφη διασπορά και η σωστή πρόσφυση στα υποστρώματα είναι ζωτικής σημασίας για αυτές τις εφαρμογές.
• Βιοϊατρικές εφαρμογές: Σε βιοϊατρικές εφαρμογές, τα νανοαιμοπετάλια γραφενίου μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παράδοση φαρμάκων, την απεικόνιση και τη μηχανική ιστών. Κατεργασία με υπερήχους βοηθά στην παρασκευή νανοσωματιδίων με βάση το γραφένιο και σύνθετων υλικών που χρησιμοποιούνται σε αυτές τις εφαρμογές.

Εικόνες SEM νανοαιμοπεταλίων γραφενίου στα β) X3000 και γ) X8000
(Μελέτη και εικόνες: ©Alizadeh et al., 2018)

Επιστημονικά αποδεδειγμένα αποτελέσματα για υπερηχητικές διασπορές νανοαιμοπεταλίων γραφενίου

Οι επιστήμονες έχουν χρησιμοποιήσει Hielscher υπερήχους για τη σύνθεση και τη διασπορά των νανοαιμοπεταλίων γραφενίου σε πολυάριθμες μελέτες και δοκιμαστεί έντονα τα αποτελέσματα της υπερήχους. Παρακάτω, μπορείτε να βρείτε μερικά παραδείγματα για την επιτυχή ανάμειξη νανοαιμοπεταλίων γραφενίου σε διαφορετικά μείγματα όπως υδατικοί πολτοί, ρητίνες έκθεσης ή κονίαμα.
 
Μια κοινή διαδικασία για την αξιόπιστη, γρήγορη και ομοιόμορφη διασπορά νανοαιμοπεταλίων γραφενίου είναι η ακόλουθη διαδικασία:
Για διασπορά, τα νανοαιμοπετάλια γραφενίου υποβλήθηκαν σε υπερήχους μέσα σε καθαρή ακετόνη χρησιμοποιώντας τον υπερηχητικό αναμικτήρα Hielscher UP400S για σχεδόν μία ώρα, προκειμένου να αποφευχθεί η συσσώρευση φύλλων γραφενίου. Η ακετόνη απομακρύνθηκε εντελώς με εξάτμιση. Στη συνέχεια, τα νανοαιμοπετάλια γραφενίου προστέθηκαν στο 1 wt % του εποξειδικού συστήματος και υποβλήθηκαν σε υπερήχους στην εποξειδική ρητίνη στα 90W για 15 λεπτά.
(βλ. Cakir et al., 2016)
 
Μια άλλη μελέτη διερευνά την ενίσχυση των ιοντικών νανοφλουιδίων υγρής βάσης (ιονανορευστά) με την προσθήκη νανοαιμοπεταλίων γραφενίου. Για ανώτερη διασπορά, το μείγμα νανοαιμοπεταλίων γραφενίου, ιοντικού υγρού και δωδεκυλοβενζολοσουλφονικού νατρίου ομογενοποιήθηκε χρησιμοποιώντας τον υπερηχητή τύπου Hielscher UP200S για περίπου 90 λεπτά.
(πρβλ. Alizadeh et al., 2018)

 
Οι Tragazikis et al. (2019) αναφέρουν την αποτελεσματική ενσωμάτωση νανοαιμοπεταλίων γραφενίου σε κονίαμα. Ως εκ τούτου, τα υδατικά εναιωρήματα γραφενίου παρήχθησαν με την προσθήκη νανοαιμοπεταλίων – σε βάρη εγγεγραμμένα από τα επιθυμητά περιεχόμενα-στόχους στα προκύπτοντα υλικά – σε μείγματα κανονικού νερού βρύσης και πλαστικοποιητή και επακόλουθη μαγνητική ανάδευση για 2 λεπτά. Τα εναιωρήματα ομογενοποιήθηκαν με υπερήχους για 90 λεπτά σε θερμοκρασία δωματίου, χρησιμοποιώντας μια συσκευή Hielscher UP400S (Hielscher Ultrasonics GmbH) εξοπλισμένη με ένα 22mm-sonotrode παρέχοντας απόδοση ισχύος 4500 J / min σε συχνότητα 24 kHz. Ο συγκεκριμένος συνδυασμός του ενεργειακού ρυθμού και της διάρκειας υπερήχων καθιερώθηκε ως βέλτιστος μετά από μια σχολαστική έρευνα της επίδρασης των παραμέτρων υπερήχων της ποιότητας του εναιωρήματος.
(βλ. Τραγαζίκης κ.ά., 2019)
 
Zainal et al. (2018) δηλώνουν στην έρευνά τους ότι μια σωστή τεχνική διασποράς όπως η υπερήχηση εξασφαλίζει ότι τα νανοϋλικά όπως τα νανοαιμοπετάλια γραφενίου μπορούν να ενισχύσουν τις ιδιότητες των υλικών πλήρωσης. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η διασπορά είναι ένας από τους σημαντικότερους παράγοντες για την παραγωγή νανοσύνθετων υλικών υψηλής ποιότητας, όπως το εποξειδικό ενέματα.

Υπερήχων υψηλής απόδοσης για επεξεργασία νανοαιμοπεταλίων γραφενίου

Hielscher Υπέρηχοι είναι ο ηγέτης της αγοράς όταν πρόκειται για υπερήχους υψηλής απόδοσης για επεξεργασία νανοϋλικών. Hielscher ανιχνευτής-τύπου υπερήχων χρησιμοποιούνται παγκοσμίως σε εργαστήρια και βιομηχανικά περιβάλλοντα για διάφορες εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένης της επεξεργασίας των νανοαιμοπεταλίων γραφενίου.
Η τεχνολογία αιχμής, η γερμανική δεξιοτεχνία και μηχανική, καθώς και η μακροχρόνια τεχνική εμπειρία καθιστούν Hielscher Υπέρηχοι προτιμώμενος συνεργάτης σας για επιτυχή εφαρμογή υπερήχων.

Σχεδιασμός, Κατασκευή και Συμβουλευτική – Ποιότητα Made in Germany

Hielscher υπερήχων είναι γνωστή για την υψηλότερη ποιότητα και τα πρότυπα σχεδιασμού τους. Η ευρωστία και η εύκολη λειτουργία επιτρέπουν την ομαλή ενσωμάτωση των υπερήχων μας σε βιομηχανικές εγκαταστάσεις. Οι σκληρές συνθήκες και τα απαιτητικά περιβάλλοντα αντιμετωπίζονται εύκολα από τους υπερήχους Hielscher.

Hielscher Υπέρηχοι είναι μια πιστοποιημένη εταιρεία ISO και δίνουν ιδιαίτερη έμφαση σε υψηλής απόδοσης υπερήχων που διαθέτουν state-of-the-art τεχνολογία και φιλικότητα προς το χρήστη. Φυσικά, Hielscher υπερήχων είναι CE συμβατό και πληρούν τις απαιτήσεις των UL, CSA και RoHs.

Ο παρακάτω πίνακας σας δίνει μια ένδειξη της κατά προσέγγιση ικανότητας επεξεργασίας των υπερήχων μας: