Grafeenin nanoverihiutaleet (GNP) voidaan syntetisoida ja dispergoida tehokkaasti ja luotettavasti käyttämällä sonikoijia. Korkean intensiteetin ultrasonicationia käytetään grafiitin kuorimiseen ja muutaman kerroksen grafeenin saamiseen, jota usein kutsutaan grafeenin nanoverihiutaleiksi. Sonikaatio on myös erinomainen saavuttamaan erinomainen grafeenin nanoverihiutaleiden jakautuminen sekä matalissa että erittäin viskooseissa suspensioissa.

Grafeenin nanoverihiutaleiden käsittely – Erinomaiset tulokset sonikaatiolla

Grafeenin nanoverihiutaleiden käsittelyssä koetintyyppiset sonikaattorit ovat tehokkaimpia, luotettavimpia ja helppokäyttöisimpiä työkaluja. Koska ultrasonicationia voidaan soveltaa grafeenin nanoverihiutaleiden synteesiin, dispersioon ja funktionalisointiin, sonikaattoreita käytetään lukuisiin grafeeniin liittyviin sovelluksiin:

• Kuorinta ja synteesi Koetintyyppisiä sonikaattoreita käytetään grafiitin kuorimiseen muutaman kerroksen grafeeni- tai grafeenin nanoverihiutaleiksi. Korkean intensiteetin ultrasonication häiritsee kerrosten välisiä voimia ja hajottaa grafiitin pienemmiksi, yksittäisiksi grafeenilevyiksi.
• Hajonta: Grafeenin nanoverihiutaleiden tasaisen dispersion saavuttaminen nestemäisessä väliaineessa on ratkaisevan tärkeää kaikissa grafeeniin liittyvissä sovelluksissa. Koetintyyppiset sonikaattorit voivat hajottaa nanoverihiutaleet tasaisesti koko nesteeseen, estäen agglomeraatiota ja varmistaen vakaan suspension.
• Toiminnallisuus: Sonikaatio helpottaa grafeenin nanoverihiutaleiden funktionalisointia edistämällä funktionaalisten ryhmien tai molekyylien kiinnittymistä niiden pintoihin. Tämä funktionalisointi parantaa niiden yhteensopivuutta tiettyjen polymeerien tai materiaalien kanssa.

Grafeenin nanoverihiutaleiden synteesi sonikoinnin kautta

Grafeenin nanoverihiutaleet voidaan syntetisoida ultraäänellä avustetulla grafiitin kuorinnalla. Siksi grafiittisuspensio sonikoidaan käyttämällä koetintyyppistä ultraäänihomogenisaattoria. Tätä menetelmää on testattu hyvin alhaisilla (esim. 4 paino-% tai vähemmän) korkeilla kiintoainepitoisuuksilla (esim. 10 paino-% tai suurempi).
 
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.

Korkean resoluution lähetyselektronimikroskooppikuvat grafeenin nanolevyistä saatu
ultraäänellä avustetun vesifaasidispersion ja Hummer-menetelmän avulla.
(Tutkimus ja grafiikka: Ghanem ja Rehim, 2018)

Mitä eroa on grafeenilevyillä ja nanoverihiutaleilla?

Grafeenilevyt ja grafeenin nanoverihiutaleet ovat molemmat nanomateriaaleja, jotka koostuvat grafeenista, joka on yksi kerros hiiliatomeja, jotka on järjestetty kuusikulmaiseen hilaan. Joskus grafeenilevyjä ja grafeenin nanoverihiutaleita käytetään keskenään vaihdettavina termeinä. Mutta tieteellisesti näiden grafeenin nanomateriaalien välillä on muutamia eroja: Ensisijainen ero grafeenilevyjen ja grafeenin nanoverihiutaleiden välillä on niiden rakenteessa ja paksuudessa. Grafeenilevyt koostuvat yhdestä hiiliatomikerroksesta ja ovat poikkeuksellisen ohuita, kun taas grafeenin nanoverihiutaleet ovat paksumpia ja koostuvat useista pinotuista grafeenikerroksista. Nämä rakenteelliset erot voivat vaikuttaa niiden ominaisuuksiin ja soveltuvuuteen tiettyihin sovelluksiin. Koetintyyppisten sonikaattoreiden käyttö on erittäin tehokas ja tehokas tekniikka grafeenin yksikerroksisten grafeenilevyjen sekä muutaman kerroksen pinottujen grafeenin nanoverihiutaleiden syntetisoimiseksi, hajottamiseksi ja funktionalisoimiseksi.

Graafinen visualisointi grafeenin nanoverihiutaleiden ultraäänisynteesistä käyttämällä sonikaattoria UP100H
(Tutkimus ja grafiikka: Ghanem ja Rehim, 2018)

Grafeenin nanoverihiutaleiden dispersio sonikaatiolla

Grafeenin nanoverihiutaleiden (GNP) tasainen dispersio on ratkaisevan tärkeää erilaisissa sovelluksissa, koska se vaikuttaa suoraan tuloksena olevien materiaalien tai tuotteiden ominaisuuksiin ja suorituskykyyn. Siksi sonikoijat asennetaan grafeenin nanoverihiutaleiden dispersioihin eri toimialoilla. Seuraavat teollisuudenalat ovat merkittäviä esimerkkejä teho-ultraäänen käytöstä:
 

• Nanokomposiitit: Grafeenin nanoverihiutaleet voidaan sisällyttää erilaisiin nanokomposiittimateriaaleihin, kuten polymeereihin, niiden mekaanisten, sähköisten ja lämpöominaisuuksien parantamiseksi. Koetintyyppiset sonikaattorit auttavat levittämään nanoverihiutaleet tasaisesti polymeerimatriisiin, mikä parantaa materiaalin suorituskykyä.
• Elektrodit ja paristot: Grafeenin nanoverihiutaleita käytetään korkean suorituskyvyn elektrodien kehittämiseen paristoille ja superkondensaattoreille. Sonikaatio auttaa luomaan hyvin dispergoituja grafeenipohjaisia elektrodimateriaaleja, joilla on suurempi pinta-ala, mikä parantaa energian varastointikykyä.
• Katalyysi: Sonikaatiota voidaan käyttää grafeenin nanoverihiutaleisiin perustuvien katalyyttisten materiaalien valmistamiseen. Katalyyttisten nanohiukkasten tasainen dispersio grafeenin pinnalle voi parantaa katalyyttistä aktiivisuutta erilaisissa reaktioissa.
• Anturit: Grafeenin nanoverihiutaleita voidaan käyttää antureiden valmistuksessa erilaisiin sovelluksiin, mukaan lukien kaasun tunnistaminen, biosensointi ja ympäristön seuranta. Sonikaatio varmistaa nanoverihiutaleiden homogeenisen jakautumisen anturimateriaaleihin, mikä parantaa herkkyyttä ja suorituskykyä.
• Pinnoitteet ja kalvot: Koetintyyppisiä sonikaattoreita käytetään grafeenin nanoverihiutalepohjaisten pinnoitteiden ja kalvojen valmistamiseen elektroniikan, ilmailun ja suojapinnoitteiden sovelluksiin. Tasainen dispersio ja oikea tarttuvuus substraatteihin ovat ratkaisevan tärkeitä näissä sovelluksissa.
• Biolääketieteelliset sovellukset: Biolääketieteellisissä sovelluksissa grafeenin nanoverihiutaleita voidaan käyttää lääkkeiden toimittamiseen, kuvantamiseen ja kudostekniikkaan. Sonikaatio auttaa näissä sovelluksissa käytettävien grafeenipohjaisten nanohiukkasten ja komposiittien valmistuksessa.

SEM-kuvat grafeenin nanoverihiutaleista (b) X3000 ja (c) X8000
(Tutkimus ja kuvat: ©Alizadeh et ai., 2018)

Tieteellisesti todistetut tulokset ultraäänigrafeenin nanoverihiutaleiden dispersioille

Tutkijat ovat käyttäneet Hielscher-sonikaattoreita grafeenin nanoverihiutaleiden synteesiin ja leviämiseen lukuisissa tutkimuksissa ja testanneet ultrasonicationin vaikutuksia voimakkaasti. Alla on muutamia esimerkkejä grafeenin nanoverihiutaleiden onnistuneesta sekoittamisesta erilaisiin seoksiin, kuten vesipitoisiin lietteisiin, paljastushartseihin tai laastiin.
 
Yleinen menettely grafeenin nanoverihiutaleiden luotettavalle, nopealle tasaiselle dispersiolle on seuraava menettely:
Dispersiota varten grafeenin nanoverihiutaleet sonikoitiin puhtaassa asetonissa käyttämällä Hielscherin ultraäänisekoitinta UP400S lähes tunnin ajan grafeenilevyjen kasautumisen estämiseksi. Asetoni poistettiin kokonaan haihduttamalla. Sitten grafeenin nanoverihiutaleet lisättiin 1 paino-%: lla epoksijärjestelmästä ja niitä sonikoitiin epoksihartsissa 90 W: ssa 15 minuutin ajan.
(vrt. Cakir et al., 2016)
 
Toisessa tutkimuksessa tutkitaan ionisten nestepohjaisten nanofluidien (ionanofluidien) vahvistamista lisäämällä grafeenin nanoverihiutaleita. Erinomaisen dispersion saavuttamiseksi grafeenin nanoverihiutaleiden, ionisen nesteen ja natriumdodekyylibentseenisulfonaatin seos homogenoitiin Hielscher-koetintyyppisellä sonikaattorilla UP200S noin 90 minuutin ajan.
(vrt. Alizadeh et al., 2018)

 
(2019) raportoivat grafeenin nanoverihiutaleiden tehokkaasta sisällyttämisestä laastiin. Siksi grafeenisuspensioita valmistettiin lisäämällä nanoverihiutaleita - painoilla, jotka on merkitty tuloksena olevien materiaalien halutuilla kohdepitoisuuksilla - tavallisen vesijohtoveden ja pehmittimen seoksissa ja sen jälkeen magneettisesti sekoittamalla 2 minuutin ajan. Suspensiot homogenoitiin ultraäänellä 90 minuutin ajan huoneenlämpötilassa käyttämällä Hielscher UP400S -laitetta (Hielscher Ultrasonics GmbH), joka oli varustettu 22 mm: n sonotrodilla, joka tuottaa 4500 J / min tehonläpäisykyvyn 24 kHz: n taajuudella. Energian nopeuden ja sonikaatioajan erityinen yhdistelmä todettiin optimaaliseksi suspension laadun ultraääniparametrien vaikutuksen huolellisen tutkimuksen jälkeen.
(vrt. Tragazikis et al., 2019)
 
(2018) toteaa tutkimuksessaan, että oikea dispersiotekniikka, kuten sonikaatio, varmistaa, että nanomateriaalit, kuten grafeenin nanoverihiutaleet, voivat parantaa täytemateriaalien ominaisuuksia. Tämä johtuu siitä, että dispersio on yksi tärkeimmistä tekijöistä korkealaatuisten nanokomposiittien, kuten epoksilaastin, tuotannossa.

Korkean suorituskyvyn sonikaattorit grafeenin nanoverihiutaleiden käsittelyyn

Hielscher Ultrasonics on markkinajohtaja, kun kyse on korkean suorituskyvyn ultraäänilaitteista nanomateriaalien käsittelyyn. Hielscher-koetintyyppisiä sonikaattoreita käytetään maailmanlaajuisesti laboratorioissa ja teollisuusympäristöissä erilaisiin sovelluksiin, mukaan lukien grafeenin nanoverihiutaleiden käsittely.
Huipputeknologia, saksalainen ammattitaito ja tekniikka sekä pitkäaikainen tekninen kokemus tekevät Hielscher Ultrasonicsista ensisijaisen kumppanin onnistuneeseen ultraäänisovellukseen.

Suunnittelu, valmistus ja konsultointi – Laatu valmistettu Saksassa

Hielscherin ultraäänilaitteet ovat tunnettuja korkeimmista laatu- ja suunnittelustandardeistaan. Kestävyys ja helppo käyttö mahdollistavat ultraäänilaitteidemme sujuvan integroinnin teollisuuslaitoksiin. Hielscherin ultraäänilaitteet käsittelevät helposti karkeita olosuhteita ja vaativia ympäristöjä.

Hielscher Ultrasonics on ISO-sertifioitu yritys, joka painottaa erityisesti korkean suorituskyvyn ultraäänilaitteita, joissa on uusinta tekniikkaa ja käyttäjäystävällisyyttä. Tietenkin Hielscherin ultraäänilaitteet ovat CE-yhteensopivia ja täyttävät UL: n, CSA: n ja RoHs: n vaatimukset.

Seuraavassa taulukossa on merkintä ultrasonicatorien likimääräisestä käsittelykapasiteetista: