Vízben diszpergálható grafén ultrahangos exfoliációja

• Az egy- és kétrétegű grafén nanolemezek ultrahangos exfoliációval gyorsan, nagy átbocsátóképességgel és alacsony költséggel állíthatók elő.
• Az ultrahanggal exfoliált grafén biopolimerekkel funkcionalizálható, hogy vízben diszpergálható grafént kapjunk.
• Ultrahangos kavitációval az előállított grafén tovább feldolgozható stabil, vízalapú diszperzióvá.

Kiváló minőségű grafén ultrahangos exfoliációja

Az ultrahangos kezelés megbízható módszer grafénrétegek (egy-, két- és néhány rétegű grafén) előállítására grafitpelyhekből vagy grafitrészecskékből. Míg más elterjedt exfoliációs technikák, például a golyós- és hengermalmok vagy a nagy nyíróhatású keverők alacsony minőséggel, valamint agresszív reagensek és oldószerek használatával járnak, az ultrahangos exfoliációs módszer kiváló minőségű termékével, nagy feldolgozási kapacitásával és kíméletes feldolgozási körülményeivel tűnik ki.
Az ultrahangos kavitáció intenzív nyíróerőket hoz létre, amelyek az egymásra rétegződött grafitrétegeket hibamentes, egy-, két- és néhány rétegű grafénné választják szét.

Vízben diszpergálható grafénlemezek ultrahangos kezeléssel

Az ultrahangos kezelés hatékony, megismételhető eredményeket adó eljárás a szén nanocsövek összegabalyodásának megszüntetésére vízben vagy szerves oldószerekben.[/caption]Normál körülmények között a grafén nehezen diszpergálható vízben, és vizes közegben diszpergálva aggregátumokat és agglomerátumokat képez. Mivel a vizes rendszerek jelentős előnye, hogy olcsók, nem mérgezők és környezetbarátok, a vízalapú grafénrendszerek rendkívül vonzóak a graféngyártók és a további feldolgozást végző iparágak számára.
Vízben diszpergálható grafén nanolemezek előállításához az ultrahanggal exfoliált grafént poliszacharidokkal / biopolimerekkel, például pullulánnal, kitozánnal, algináttal, zselatinnal vagy gumiarábikummal módosítják.

A grafit közvetlen ultrahangos exfoliációjának protokollja

A nemionos pullulánt és az anionos alginátot (1,0 g) külön-külön 20 ml desztillált vízben oldották fel, míg a kationos kitozánt (0,4 g) 20 ml, 1 wt% ecetsavat tartalmazó desztillált vízben oldották fel. A grafitport a vizes biopolimeroldatokban diszpergálták, majd titán szonotródával (S3 mikrocsúcs, csúcsátmérő 3 mm, maximális amplitúdó 210µm, akusztikus teljesítménysűrűség vagy felületi intenzitás 460 W cm-2) felszerelt UP200S szondás ultrahangos készülékkel (maximális teljesítmény 200 W, frekvencia 24 kHz, Hielscher Ultrasonics, Németország) kezelték a következő körülmények között: 0,5 ciklus és 50% amplitúdó, rendre 10, 20, 30 és 60 min időtartamig. A legjobb eredményeket 30min ultrahangos kezeléssel érték el. Az ultrahangos kezelést 16,25 W teljesítménnyel, 30 percen át végezték, 731 Ws ml-1 energiafelhasználással (egységnyi térfogatra jutó leadott energia).
Ezt követően a keverékeket 1500 rpm fordulatszámon, 60 min időtartamig centrifugálták a nem exfoliált grafitrészecskék eltávolítására, majd 5 alkalommal mosták, és ismét centrifugálták 5000 rpm fordulatszámon, 20 min időtartamig a biopolimer-felesleg eltávolítására. A kapott sötétszürke oldatokat vákuumban, 40ºC hőmérsékleten szárították addig, amíg már nem következett be tömegveszteség. A keletkezett polimer–grafén porokat jellemzés céljából ismét vízben diszpergálták (pullulán és kitozán esetén 1 mg ml-1; alginát esetén 0,18 mg ml-1). A pullulánnal, algináttal, illetve kitozánnal segített ultrahangos kezeléssel kapott grafénlemezeket rendre pull-G, alg-G és chit-G jelöléssel látták el.
A három rendszer közül a pullulán és a kitozán hatékonyabb volt a grafit exfoliációjában, mint az alginát. Ezzel a módszerrel exfoliált, egy-, két- és néhány rétegű grafénlemezeket kaptak, amelyek csak kevés oldalsó (él menti) hibát tartalmaztak. A biopolimerek adszorpciója a grafén felületén hosszan tartó (több mint 6 hónapos) stabilitást biztosít a vizes diszperziónak.
(vö. Unalan et al. 2015)

Nagy sebességű képsorozat (a-tól f-ig), amely egy grafitpehely vízben végzett szonomechanikai exfoliációját szemlélteti az UP200S, egy 3-mm szonotródával felszerelt 200W teljesítményű ultrahangos készülék használatával. A nyilak a felhasadás (exfoliáció) helyét mutatják, ahol kavitációs buborékok hatolnak be a résbe.
(tanulmány és képek: © Tyurnina et al. 2020

Ultrahangos készülékek a grafén exfoliációjához

A Hielscher nagy teljesítményű ultrahangos processzorait világszerte használják a grafit és a grafén sikeres exfoliációjára és diszpergálására. Ultrahangos diszpergálóink a laboratóriumi és asztali készülékektől egészen az ipari termelőberendezésekig elérhetők. Robusztus felépítésük, 24/7 üzemük és alacsony karbantartási igényük mellett a Hielscher ultrahangos készülékekkel a feldolgozás rendkívül egyszerű, és lineárisan méretezhető.
Az eljárások könnyen tesztelhetők és optimalizálhatók a laboratóriumban. Ezután minden folyamateredmény teljesen lineárisan felskálázható a kereskedelmi termelés szintjére. Ez az ultrahangos kezelést eredményes és hatékony gyártási módszerré teszi a kiváló minőségű grafénlemezek nagy mennyiségű előállításához.
A Hielscher Ultrasonics ipari ultrahangos processzorai igen nagy amplitúdók előállítására képesek. Akár 200µm amplitúdóval is könnyedén, folyamatosan működtethetők 24/7 üzemben. Még nagyobb amplitúdókhoz egyedi ultrahangos szonotródák állnak rendelkezésre. A megfelelő ultrahangos reaktorok biztosítják a kiváló minőségű grafén nanolemezek, valamint a stabil nanolemez-diszperziók megbízható és biztonságos tömeggyártásának lehetőségét.

A Hielscher ultrahangos berendezéseinek robusztus felépítése nagy terhelés és megterhelő környezeti feltételek mellett is lehetővé teszi a 24/7 üzemet.
Az alábbi táblázat tájékoztatást ad ultrahangos készülékeink hozzávetőleges feldolgozási kapacitásáról: