Νανοπλακίδια γραφενίου που συντίθενται και διασπείρονται μέσω κατεργασίας με υπερήχους τύπου ακίδας

Τα νανοπλακίδια γραφενίου (GNPs) μπορούν να συντεθούν και να διασπαρούν με υψηλή αποδοτικότητα και αξιοπιστία χρησιμοποιώντας συσκευές υπερήχων. Η κατεργασία με υπερήχους υψηλής έντασης χρησιμοποιείται για την απολέπιση του γραφίτη και την παραγωγή ολιγοστρωματικού γραφενίου, το οποίο συχνά αναφέρεται ως νανοπλακίδια γραφενίου. Η κατεργασία με υπερήχους διακρίνεται επίσης για την επίτευξη εξαιρετικής κατανομής των νανοπλακιδίων γραφενίου σε αιωρήματα τόσο χαμηλού όσο και υψηλού ιξώδους.

Επεξεργασία νανοπλακιδίων γραφενίου – Ανώτερα αποτελέσματα με κατεργασία με υπερήχους

Για την επεξεργασία νανοπλακιδίων γραφενίου, οι συσκευές υπερήχων τύπου ακίδας αποτελούν το πιο αποδοτικό, αξιόπιστο και εύχρηστο εργαλείο. Καθώς η κατεργασία με υπερήχους μπορεί να εφαρμοστεί για τη σύνθεση, τη διασπορά και τη λειτουργικοποίηση νανοπλακιδίων γραφενίου, οι συσκευές υπερήχων χρησιμοποιούνται σε πολυάριθμες εφαρμογές σχετικές με το γραφένιο:

• Απολέπιση και σύνθεση Οι συσκευές υπερήχων τύπου ακίδας χρησιμοποιούνται για την απολέπιση του γραφίτη προς σχηματισμό ολιγοστρωματικού γραφενίου ή νανοπλακιδίων γραφενίου. Η κατεργασία με υπερήχους υψηλής έντασης υπερνικά τις δυνάμεις μεταξύ των στρωμάτων και διασπά τον γραφίτη σε μικρότερα, μεμονωμένα φύλλα γραφενίου.
• Διασπορά: Η επίτευξη ομοιόμορφης διασποράς των νανοπλακιδίων γραφενίου σε ένα υγρό μέσο είναι καθοριστική για όλες τις εφαρμογές που σχετίζονται με το γραφένιο. Οι συσκευές υπερήχων τύπου ακίδας μπορούν να διασπείρουν τα νανοπλακίδια ομοιόμορφα σε όλο το υγρό, αποτρέποντας τη συσσωμάτωση και εξασφαλίζοντας ένα σταθερό αιώρημα.
• Λειτουργικοποίηση: Η κατεργασία με υπερήχους διευκολύνει τη λειτουργικοποίηση των νανοπλακιδίων γραφενίου, προάγοντας την πρόσδεση λειτουργικών ομάδων ή μορίων στις επιφάνειές τους. Αυτή η λειτουργικοποίηση ενισχύει τη συμβατότητά τους με συγκεκριμένα πολυμερή ή υλικά.

Σύνθεση νανοπλακιδίων γραφενίου μέσω κατεργασίας με υπερήχους

Τα νανοπλακίδια γραφενίου μπορούν να συντεθούν μέσω απολέπισης του γραφίτη υποβοηθούμενης από υπερήχους. Για τον σκοπό αυτό, ένα αιώρημα γραφίτη υποβάλλεται σε κατεργασία με υπερήχους χρησιμοποιώντας έναν ομογενοποιητή υπερήχων τύπου ακίδας. Αυτή η διαδικασία έχει δοκιμαστεί σε συγκεντρώσεις στερεών από πολύ χαμηλές (π.χ. 4wt% ή χαμηλότερες) έως υψηλές (π.χ. 10wt% ή υψηλότερες).
 
Οι Ghanem και Rehim (2018) αναφέρουν την απολέπιση γραφίτη με υπερήχους σε νερό με τη βοήθεια δωδεκυλοβενζολοσουλφονικού νατρίου (SDS), με σκοπό την παρασκευή διεσπαρμένων νανοπλακιδίων γραφενίου, χρησιμοποιώντας τη συσκευή υπερήχων τύπου ακίδας UP 100H, η οποία επέτρεψε την επιτυχή παρασκευή ολιγοστρωματικού γραφενίου χωρίς ατέλειες (>5). Χρησιμοποιήθηκε το ακόλουθο πρόδρομο υλικό: ανηγμένα νανοφύλλα γραφενίου παρασκευάστηκαν μέσω της μεθόδου Hummer και υποβλήθηκαν σε επεξεργασία με δύο επιπλέον στάδια, οξείδωση του γραφίτη ακολουθούμενη από αναγωγή του οξειδίου του γραφενίου. Με αυτόν τον τρόπο, ελήφθησαν διεσπαρμένα νανοπλακίδια γραφενίου σε νερό μέσω της μεθόδου διασποράς σε διαλύτη (βλ. παρακάτω σχήμα). Οι στιβάδες γραφίτη απολεπίστηκαν με κατεργασία με υπερήχους χρησιμοποιώντας τη συσκευή υπερήχων τύπου ακίδας UP100H (100 W). Διαλύθηκαν 0,25 g SDS σε 150 mL απιονισμένου νερού και στη συνέχεια προστέθηκαν 0,5 g γραφίτη. Το διάλυμα γραφίτη υποβλήθηκε σε κατεργασία με υπερήχους για 12h σε λουτρό πάγου και στη συνέχεια το αιώρημα φυγοκεντρήθηκε στα 686× g για 30 min, ώστε να απομακρυνθούν τα μεγάλα σωματίδια. Το ίζημα απορρίφθηκε και το υπερκείμενο υγρό φυγοκεντρήθηκε εκ νέου για 90 min στα 12.600× g. Τα διεσπαρμένα νανοπλακίδια γραφενίου που ελήφθησαν πλύθηκαν καλά αρκετές φορές για την απομάκρυνση της επιφανειοδραστικής ουσίας. Τέλος, το προϊόν ξηράνθηκε στους 60ºC υπό κενό.

Εικόνες ηλεκτρονικού μικροσκοπίου διέλευσης υψηλής ανάλυσης νανοφύλλων γραφενίου που ελήφθησαν
μέσω διασποράς σε υδατική φάση υποβοηθούμενης από υπερήχους και της μεθόδου Hummer.
(Μελέτη και γραφική απεικόνιση: Ghanem και Rehim, 2018)

Ποια είναι η διαφορά μεταξύ φύλλων γραφενίου και νανοπλακιδίων;

Τα φύλλα γραφενίου και τα νανοπλακίδια γραφενίου είναι νανοϋλικά που αποτελούνται από γραφένιο, το οποίο είναι ένα μεμονωμένο στρώμα ατόμων άνθρακα διατεταγμένων σε εξαγωνικό πλέγμα. Μερικές φορές, οι όροι φύλλα γραφενίου και νανοπλακίδια γραφενίου χρησιμοποιούνται εναλλακτικά. Ωστόσο, από επιστημονική άποψη, υπάρχουν ορισμένες διαφορές μεταξύ αυτών των νανοϋλικών γραφενίου: Η κύρια διαφορά μεταξύ των φύλλων γραφενίου και των νανοπλακιδίων γραφενίου έγκειται στη δομή και το πάχος τους. Τα φύλλα γραφενίου αποτελούνται από ένα μεμονωμένο στρώμα ατόμων άνθρακα και είναι εξαιρετικά λεπτά, ενώ τα νανοπλακίδια 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 συσκευών υπερήχων με καθετήρα είναι μια ιδιαίτερα αποτελεσματική και αποδοτική τεχνική για τη σύνθεση, τη διασπορά και τη λειτουργικοποίηση τόσο μονοστρωματικών φύλλων γραφενίου όσο και νανοπλακιδίων γραφενίου με λίγα στοιβαγμένα στρώματα.

Διάγραμμα που απεικονίζει τη σύνθεση νανοπλακιδίων γραφενίου με υπερήχους χρησιμοποιώντας τη συσκευή υπερήχων UP100H
(Μελέτη και διάγραμμα: Ghanem και Rehim, 2018)

Διασπορά νανοπλακιδίων γραφενίου με κατεργασία με υπερήχους

Η ομοιόμορφη διασπορά των νανοπλακιδίων γραφενίου (GNPs) είναι καθοριστικής σημασίας σε διάφορες εφαρμογές, επειδή επηρεάζει άμεσα τις ιδιότητες και την απόδοση των υλικών ή των προϊόντων που προκύπτουν. Για τον λόγο αυτό, εγκαθίστανται συσκευές υπερήχων για τη διασπορά νανοπλακιδίων γραφενίου σε διάφορους βιομηχανικούς κλάδους. Οι ακόλουθοι κλάδοι αποτελούν χαρακτηριστικά παραδείγματα χρήσης υπερήχων ισχύος:
 

• Νανοσύνθετα υλικά: Τα νανοπλακίδια γραφενίου μπορούν να ενσωματωθούν σε διάφορα νανοσύνθετα υλικά, όπως πολυμερή, για να ενισχύσουν τις μηχανικές, ηλεκτρικές και θερμικές ιδιότητές τους. Οι συσκευές υπερήχων με καθετήρα συμβάλλουν στην ομοιόμορφη διασπορά των νανοπλακιδίων μέσα στην πολυμερική μήτρα, με αποτέλεσμα τη βελτιωμένη απόδοση του υλικού.
• Ηλεκτρόδια και μπαταρίες: Τα νανοπλακίδια γραφενίου χρησιμοποιούνται στην ανάπτυξη ηλεκτροδίων υψηλής απόδοσης για μπαταρίες και υπερπυκνωτές. Η κατεργασία με υπερήχους συμβάλλει στη δημιουργία υλικών ηλεκτροδίων με βάση το γραφένιο, με καλή διασπορά και αυξημένη επιφάνεια, γεγονός που βελτιώνει τις δυνατότητες αποθήκευσης ενέργειας.
• Κατάλυση: Η κατεργασία με υπερήχους μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παρασκευή καταλυτικών υλικών με βάση τα νανοπλακίδια γραφενίου. Η ομοιόμορφη διασπορά καταλυτικών νανοσωματιδίων στην επιφάνεια του γραφενίου μπορεί να ενισχύσει την καταλυτική δραστικότητα σε διάφορες αντιδράσεις.
• Αισθητήρες: Τα νανοπλακίδια γραφενίου μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην κατασκευή αισθητήρων για διάφορες εφαρμογές, όπως η ανίχνευση αερίων, η βιοανίχνευση και η περιβαλλοντική παρακολούθηση. Η κατεργασία με υπερήχους εξασφαλίζει ομοιογενή κατανομή των νανοπλακιδίων στα υλικά των αισθητήρων, οδηγώντας σε βελτιωμένη ευαισθησία και απόδοση.
• Επιστρώσεις και υμένια: Οι συσκευές υπερήχων με καθετήρα χρησιμοποιούνται για την παρασκευή επιστρώσεων και υμενίων με βάση τα νανοπλακίδια γραφενίου για εφαρμογές στα ηλεκτρονικά, την αεροδιαστημική και τις προστατευτικές επιστρώσεις. Η ομοιόμορφη διασπορά και η σωστή πρόσφυση στα υποστρώματα είναι καθοριστικής σημασίας για αυτές τις εφαρμογές.
• Βιοϊατρικές εφαρμογές: Στις βιοϊατρικές εφαρμογές, τα νανοπλακίδια γραφενίου μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη χορήγηση φαρμάκων, την απεικόνιση και τη μηχανική ιστών. Η κατεργασία με υπερήχους συμβάλλει στην παρασκευή νανοσωματιδίων και σύνθετων υλικών με βάση το γραφένιο που χρησιμοποιούνται σε αυτές τις εφαρμογές.

Εικόνες ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (SEM) νανοπλακιδίων γραφενίου σε μεγέθυνση (b) X3000 και (c) X8000
(Μελέτη και εικόνες: ©Alizadeh et al., 2018)

Επιστημονικά αποδεδειγμένα αποτελέσματα για διασπορές νανοπλακιδίων γραφενίου με υπερήχους

Επιστήμονες έχουν χρησιμοποιήσει συσκευές υπερήχων της Hielscher για τη σύνθεση και τη διασπορά νανοπλακιδίων γραφενίου σε πολυάριθμες μελέτες και έχουν εξετάσει διεξοδικά τις επιδράσεις της κατεργασίας με υπερήχους. Παρακάτω μπορείτε να βρείτε μερικά παραδείγματα επιτυχούς ανάμιξης νανοπλακιδίων γραφενίου σε διαφορετικά μίγματα, όπως υδαρείς πολφούς, εποξειδικές ρητίνες ή κονίαμα.
 
Μια συνήθης διαδικασία για την αξιόπιστη, γρήγορη και ομοιόμορφη διασπορά νανοπλακιδίων γραφενίου είναι η ακόλουθη:
Για τη διασπορά, τα νανοπλακίδια γραφενίου υποβλήθηκαν σε κατεργασία με υπερήχους μέσα σε καθαρή ακετόνη με χρήση του αναμικτήρα υπερήχων UP400S της Hielscher για σχεδόν μία ώρα, προκειμένου να αποτραπεί η συσσωμάτωση των φύλλων γραφενίου. Η ακετόνη απομακρύνθηκε πλήρως με εξάτμιση. Στη συνέχεια, τα νανοπλακίδια γραφενίου προστέθηκαν σε ποσοστό 1 wt % του εποξειδικού συστήματος και υποβλήθηκαν σε κατεργασία με υπερήχους μέσα στην εποξειδική ρητίνη στα 90W για 15 λεπτά.
(πρβλ. Cakir et al., 2016)
 
Μια άλλη μελέτη διερευνά την ενίσχυση νανορευστών με βάση ιοντικά υγρά (ιοντικών νανορευστών) με την προσθήκη νανοπλακιδίων γραφενίου. Για ανώτερη διασπορά, το μίγμα νανοπλακιδίων γραφενίου, ιοντικού υγρού και δωδεκυλοβενζολοσουλφονικού νατρίου ομογενοποιήθηκε με χρήση της συσκευής υπερήχων τύπου καθετήρα UP200S της Hielscher για περίπου 90 min.
(πρβλ. Alizadeh et al., 2018)

 
Οι Tragazikis et al. (2019) αναφέρουν την αποτελεσματική ενσωμάτωση νανοπλακιδίων γραφενίου σε κονίαμα. Για τον σκοπό αυτό, παρασκευάστηκαν υδατικά αιωρήματα γραφενίου με προσθήκη νανοπλακιδίων – σε βάρη που καθορίζονταν από τις επιθυμητές περιεκτικότητες στα τελικά υλικά – σε μίγματα συνηθισμένου νερού βρύσης και πλαστικοποιητή και επακόλουθη μαγνητική ανάδευση για 2 min. Τα αιωρήματα ομογενοποιήθηκαν με κατεργασία με υπερήχους για 90 min σε θερμοκρασία δωματίου, με χρήση συσκευής Hielscher UP400S (Hielscher Ultrasonics GmbH) εξοπλισμένης με ηχοτρόδιο των 22mm, το οποίο παρείχε ενέργεια με ρυθμό 4500 J/min σε συχνότητα 24 kHz. Ο συγκεκριμένος συνδυασμός ρυθμού παροχής ενέργειας και διάρκειας κατεργασίας με υπερήχους προσδιορίστηκε ως βέλτιστος έπειτα από σχολαστική διερεύνηση της επίδρασης των παραμέτρων της κατεργασίας με υπερήχους στην ποιότητα του αιωρήματος.
(πρβλ. Tragazikis et al., 2019)
 
Οι Zainal et al. (2018) δηλώνουν στην έρευνά τους ότι μια κατάλληλη τεχνική διασποράς, όπως η κατεργασία με υπερήχους, διασφαλίζει ότι νανοϋλικά όπως τα νανοπλακίδια γραφενίου μπορούν να βελτιώσουν 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 ένεμα.

Συσκευές υπερήχων υψηλών επιδόσεων για την επεξεργασία νανοπλακιδίων γραφενίου

Η Hielscher Ultrasonics είναι ηγέτης της αγοράς στις συσκευές υπερήχων υψηλών επιδόσεων για την επεξεργασία νανοϋλικών. Οι συσκευές υπερήχων τύπου καθετήρα της Hielscher χρησιμοποιούνται παγκοσμίως σε εργαστήρια και βιομηχανικές εγκαταστάσεις για διάφορες εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένης της επεξεργασίας νανοπλακιδίων γραφενίου.
Η τεχνολογία αιχμής, η γερμανική κατασκευαστική δεξιοτεχνία και μηχανική, καθώς και η πολυετής τεχνική εμπειρία καθιστούν τη Hielscher Ultrasonics τον συνεργάτη της προτίμησής σας για την επιτυχή εφαρμογή υπερήχων.

Σχεδιασμός, κατασκευή και συμβουλευτικές υπηρεσίες – Ποιότητα κατασκευασμένη στη Γερμανία

Οι συσκευές υπερήχων Hielscher είναι ευρέως γνωστές για τα υψηλότερα πρότυπα ποιότητας και σχεδιασμού τους. Η στιβαρότητα και η ευκολία χειρισμού επιτρέπουν την ομαλή ενσωμάτωση των συσκευών υπερήχων μας σε βιομηχανικές εγκαταστάσεις. Οι συσκευές υπερήχων Hielscher ανταποκρίνονται με ευκολία σε αντίξοες συνθήκες και απαιτητικά περιβάλλοντα.

Η Hielscher Ultrasonics είναι εταιρεία πιστοποιημένη κατά ISO και δίνει ιδιαίτερη έμφαση στις συσκευές υπερήχων υψηλών επιδόσεων που διαθέτουν τεχνολογία αιχμής και ευχρηστία. Φυσικά, οι συσκευές υπερήχων Hielscher συμμορφώνονται με τις απαιτήσεις CE και πληρούν τις απαιτήσεις των UL, CSA και RoHs.

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