Grafén nanolemezkék szintézise és diszpergálása szondás ultrahangos kezeléssel

A grafén nanolemezkék (GNP-k) ultrahangos kezelőberendezésekkel nagy hatékonysággal és megbízhatósággal szintetizálhatók és diszpergálhatók. A nagy intenzitású ultrahangos kezelést a grafit exfoliálására és néhány rétegű grafén előállítására használják, amelyet gyakran grafén nanolemezkéknek neveznek. Az ultrahangos kezelés az alacsony és a nagy viszkozitású szuszpenziókban egyaránt kiválóan alkalmas a grafén nanolemezkék kiváló eloszlásának elérésére.

Grafén nanolemezkék feldolgozása – Kimagasló eredmények ultrahangos kezeléssel

A grafén nanolemezkék feldolgozásához a szondás ultrahangos kezelőberendezések a leghatékonyabb, legmegbízhatóbb és legkönnyebben használható eszközök. Mivel az ultrahangos kezelés a grafén nanolemezkék szintézisére, diszpergálására és funkcionalizálására is alkalmazható, az ultrahangos kezelőberendezéseket számos grafénnel kapcsolatos alkalmazásban használják:

• Exfoliálás és szintézis A szondás ultrahangos kezelőberendezéseket a grafit néhány rétegű grafénné vagy grafén nanolemezkékké történő exfoliálására használják. A nagy intenzitású ultrahangos kezelés megbontja a rétegek közötti erőhatásokat, és a grafitot kisebb, különálló grafénlapokra bontja.
• Diszpergálás: A grafén nanolemezkék egyenletes diszpergálása folyékony közegben kulcsfontosságú minden grafénnel kapcsolatos alkalmazásban. A szondás ultrahangos kezelőberendezések egyenletesen oszlathatják el a nanolemezkéket a folyadék egészében, megakadályozva az agglomerációt és stabil szuszpenziót biztosítva.
• Funkcionalizálás: Az ultrahangos kezelés megkönnyíti a grafén nanolemezkék funkcionalizálását azáltal, hogy elősegíti a funkciós csoportok vagy molekulák kapcsolódását a felületükhöz. Ez a funkcionalizálás javítja kompatibilitásukat bizonyos polimerekkel vagy anyagokkal.

Grafén nanolemezkék szintézise ultrahangos kezeléssel

Grafén nanolemezkék a grafit ultrahanggal segített exfoliálásával szintetizálhatók. Ehhez egy grafitszuszpenziót szondás ultrahangos homogenizátorral kezelnek. Ezt az eljárást a nagyon alacsony (pl. 4wt% vagy kisebb) szilárdanyag-koncentrációtól a magas (pl. 10wt% vagy nagyobb) szilárdanyag-koncentrációig tesztelték.
 
Ghanem és Rehim (2018) a grafit vízben, nátrium-dodecil-benzol-szulfonát (SDS) segítségével végzett ultrahangos exfoliálásáról számolnak be, amelynek célja diszpergált grafén nanolemezkék előállítása volt. Az UP 100H szondás ultrahangos kezelőberendezés használata lehetővé tette hibamentes, néhány rétegű grafén (>5) sikeres előállítását. A következő prekurzort használták: redukált grafén nanolapokat állítottak elő a Hummer-módszerrel, majd két további lépésben kezelték őket: a grafit oxidációját a grafén-oxid redukciója követte. Így oldószeres diszpergálási módszerrel vízben diszpergált grafén nanolemezkéket nyertek (lásd az alábbi ábrát). A grafitrétegeket az UP100H (100 W) szondás ultrahangos kezelőberendezéssel végzett ultrahangos kezeléssel exfoliálták. 0,25 g SDS-t feloldottak 150 mL ioncserélt vízben, majd 0,5 g grafitot adtak hozzá. A grafitoldatot 12h időtartamig ultrahanggal kezelték jégfürdőben, majd a szuszpenziót 686× g mellett 30 min időtartamig centrifugálták a nagy részecskék eltávolítására. Az üledéket eldobták, és a felülúszót 12 600× g mellett 90 min időtartamig ismét centrifugálták. A kapott diszpergált grafén nanolemezkéket többször alaposan átmosták a felületaktív anyag eltávolítására. Végül a terméket vákuumban, 60ºC hőmérsékleten szárították.

Grafén nanolapok nagy felbontású transzmissziós elektronmikroszkópos felvételei; a nanolapokat
ultrahanggal segített vizes fázisú diszpergálással és a Hummer-módszerrel állították elő.
(Tanulmány és ábra: Ghanem és Rehim, 2018)

Mi a különbség a grafénlapok és a nanolemezkék között?

A grafénlapok és a grafén nanolemezkék egyaránt grafénből álló nanoanyagok; a grafén hatszögletű rácsba rendeződött szénatomok egyetlen rétege. A grafénlapok és a grafén nanolemezkék kifejezéseket néha egymás szinonimájaként használják. Tudományos szempontból azonban van néhány különbség e grafén nanoanyagok között: a grafénlapok és a grafén nanolemezkék közötti fő különbség a szerkezetükben és a vastagságukban rejlik. A grafénlapok egyetlen szénatomrétegből állnak, és rendkívül vékonyak, míg a grafén nanolemezkék vastagabbak, és több, egymásra rendeződött grafénrétegből állnak. Ezek a szerkezeti különbségek befolyásolhatják tulajdonságaikat és bizonyos alkalmazásokra való alkalmasságukat. A szondás ultrahangos kezelőberendezések használata rendkívül eredményes és hatékony technika az egyrétegű grafénlapok, valamint a néhány egymásra rendeződött rétegből álló grafén nanolemezkék szintézisére, diszpergálására és funkcionalizálására.

A grafén nanolemezkék UP100H ultrahangos kezelőberendezéssel végzett ultrahangos szintézisét szemléltető ábra
(Tanulmány és ábra: Ghanem és Rehim, 2018)

Grafén nanolemezkék diszpergálása ultrahangos kezeléssel

A grafén nanolemezkék (GNP-k) egyenletes diszpergálása számos alkalmazásban kulcsfontosságú, mert közvetlenül befolyásolja a kapott anyagok vagy termékek tulajdonságait és teljesítményét. Ezért különböző iparágakban telepítenek ultrahangos kezelőberendezéseket grafén nanolemezke-diszperziók előállítására. A következő iparágak kiemelkedő példái a nagy teljesítményű ultrahang alkalmazásának:
 

• Nanokompozitok: A grafén nanolemezkék különböző nanokompozit anyagokba, például polimerekbe építhetők be mechanikai, elektromos és termikus tulajdonságaik javítása érdekében. A szondás ultrahangos kezelőberendezések segítik a nanolemezkék egyenletes diszpergálását a polimermátrixban, ami javítja az anyag teljesítményét.
• Elektródák és akkumulátorok: A grafén nanolemezkéket akkumulátorokhoz és szuperkondenzátorokhoz készülő, nagy teljesítményű elektródák fejlesztésében használják. Az ultrahangos kezelés segít jól diszpergált, megnövelt felületű grafénalapú elektródanyagok létrehozásában, ami javítja az energiatárolási képességet.
• Katalízis: Az ultrahangos kezelés grafén nanolemezkéken alapuló katalitikus anyagok előállítására használható. A katalitikus nanorészecskék egyenletes diszpergálása a grafén felületén fokozhatja a katalitikus aktivitást különböző reakciókban.
• Érzékelők: A grafén nanolemezkék különböző alkalmazásokhoz, többek között gázérzékeléshez, biológiai érzékeléshez és környezeti monitorozáshoz készülő érzékelők gyártásában használhatók. Az ultrahangos kezelés biztosítja a nanolemezkék homogén eloszlását az érzékelők anyagában, ami jobb érzékenységet és teljesítményt eredményez.
• Bevonatok és filmek: A szondás ultrahangos kezelőberendezéseket grafén nanolemezke-alapú bevonatok és filmek előállítására használják elektronikai, repülési és űrtechnikai alkalmazásokhoz, valamint védőbevonatokhoz. Az egyenletes diszpergálás és a hordozókhoz való megfelelő tapadás kulcsfontosságú ezekben az alkalmazásokban.
• Orvosbiológiai alkalmazások: Az orvosbiológiai alkalmazásokban a grafén nanolemezkék gyógyszerhatóanyagok célba juttatására, képalkotásra és szövetmérnöki célokra használhatók. Az ultrahangos kezelés segít az ezekben az alkalmazásokban használt grafénalapú nanorészecskék és kompozitok előállításában.

Grafén nanolemezkék SEM-felvételei (b) X3000 és (c) X8000 nagyításban
(Tanulmány és képek: ©Alizadeh és mtsai., 2018)

Tudományosan igazolt eredmények az ultrahangos grafén nanolemezke-diszperziók terén

A tudósok számos tanulmányban használtak Hielscher ultrahangos kezelőberendezéseket grafén nanolemezkék szintézisére és diszpergálására, és alaposan vizsgálták az ultrahangos kezelés hatásait. Az alábbiakban néhány példa található a grafén nanolemezkék különböző keverékekbe, például vizes zagyokba, epoxigyantákba vagy habarcsba történő sikeres bekeverésére.
 
A grafén nanolemezkék megbízható, gyors és egyenletes diszpergálásának egyik gyakori eljárása a következő:
A diszpergáláshoz a grafén nanolemezkéket tiszta acetonban, a Hielscher UP400S ultrahangos keverővel csaknem egy órán át ultrahanggal kezelték a grafénlapok agglomerációjának megakadályozására. Az acetont párologtatással teljesen eltávolították. Ezután a grafén nanolemezkéket az epoxirendszerhez 1 wt % arányban adták hozzá, és az epoxigyantában 90W teljesítményen 15 percig ultrahanggal kezelték.
(vö. Cakir és mtsai., 2016)
 
Egy másik tanulmány ionos folyadék alapú nanofolyadékok (ionnanofolyadékok) grafén nanolemezkék hozzáadásával történő javítását vizsgálja. A kiválóbb diszpergálás érdekében a grafén nanolemezkék, az ionos folyadék és a nátrium-dodecil-benzol-szulfonát keverékét a Hielscher UP200S szondás ultrahangos kezelőberendezéssel körülbelül 90 min időtartamig homogenizálták.
(vö. Alizadeh és mtsai., 2018)

 
Tragazikis és mtsai. (2019) a grafén nanolemezkék habarcsba történő hatékony beépítéséről számolnak be. Ehhez vizes grafénszuszpenziókat állítottak elő úgy, hogy nanolemezkéket adtak hozzá – a kapott anyagok kívánt céltartalma által meghatározott tömegekben – közönséges csapvíz és képlékenyítő keverékeihez, majd 2 min időtartamig mágneses keverést alkalmaztak. A szuszpenziókat szobahőmérsékleten 90 min időtartamig ultrahangos kezeléssel homogenizálták egy Hielscher UP400S készülékkel (Hielscher Ultrasonics GmbH), amely 22mm-es szonotróda segítségével, 24 kHz frekvencián 4500 J/min energiaátadási sebességet biztosított. Az energiaátadási sebesség és az ultrahangos kezelés időtartamának e konkrét kombinációját az ultrahangos kezelési paraméterek szuszpenzióminőségre gyakorolt hatásának gondos vizsgálata után optimálisnak határozták meg.
(vö. Tragazikis és mtsai., 2019)
 
Zainal és mtsai. (2018) kutatásukban megállapítják, hogy a megfelelő diszpergálási technika, például az ultrahangos kezelés biztosítja, hogy az olyan nanoanyagok, mint a grafén nanolemezkék, javíthassák a kitöltőanyagok tulajdonságait. Ennek oka, hogy a diszpergálás az egyik legfontosabb tényező az olyan kiváló minőségű nanokompozitok előállításában, mint az epoxialapú kiöntőhabarcs.

Nagy teljesítményű ultrahangos kezelőberendezések grafén nanolemezkék feldolgozásához

A Hielscher Ultrasonics piacvezető a nanoanyagok feldolgozására szolgáló nagy teljesítményű ultrahangos kezelőberendezések terén. A Hielscher szondás ultrahangos kezelőberendezéseit világszerte használják laboratóriumokban és ipari környezetben különböző alkalmazásokhoz, többek között grafén nanolemezkék feldolgozására.
A legkorszerűbb technológia, a német gyártási és mérnöki szakértelem, valamint a sokéves műszaki tapasztalat teszi a Hielscher Ultrasonics vállalatot az Ön első számú partnerévé a sikeres ultrahangos alkalmazásokhoz.

Tervezés, gyártás és tanácsadás – Németországban készült minőség

A Hielscher ultrahangos kezelőberendezései a legmagasabb minőségi és tervezési követelményeikről ismertek. A robusztusság és az egyszerű kezelhetőség lehetővé teszi ultrahangos kezelőberendezéseink zökkenőmentes integrálását az ipari létesítményekbe. A Hielscher ultrahangos kezelőberendezései könnyedén megbirkóznak a mostoha körülményekkel és a nagy követelményeket támasztó környezetekkel.

A Hielscher Ultrasonics ISO-tanúsítvánnyal rendelkező vállalat, és különös hangsúlyt fektet a legkorszerűbb technológiával és felhasználóbarát kialakítással rendelkező, nagy teljesítményű ultrahangos kezelőberendezésekre. A Hielscher ultrahangos kezelőberendezései természetesen megfelelnek a CE-előírásoknak, valamint az UL, CSA és RoHs követelményeinek.

Az alábbi táblázat tájékoztatást ad ultrahangos kezelőberendezéseink hozzávetőleges feldolgozási kapacitásáról: