グラフェンナノプレートレット(GNP)は、超音波処理器を使用して高効率かつ信頼性の高い方法で合成および分散することができます。高強度超音波は、グラファイトを剥離し、しばしばグラフェンナノプレートレットと呼ばれる数層グラフェンを得るために採用される。超音波処理はまた、低粘度および高粘度懸濁液の両方で優れたグラフェンナノプレートレット分布を達成することに優れています。

グラフェンナノプレートレットプロセシング – 超音波処理による優れた結果

グラフェンナノプレートレット処理のために、プローブ型超音波処理器は最も効率的で信頼性が高く、使いやすいツールです。超音波はグラフェンナノプレートレットの合成、分散および機能化に適用することができるので、超音波処理器は多数のグラフェン関連の用途に使用される:

• 剥離と合成 プローブ型超音波処理器は、グラファイトを数層のグラフェンまたはグラフェンナノプレートレットに剥離するために使用されます。高強度超音波は、層間力を混乱させ、グラフェンのより小さな、個々のシートにグラファイトを分解します。
• 分散： 液体媒体中でのグラフェンナノプレートレットの均一な分散を達成することは、すべてのグラフェン関連アプリケーションにとって重要です。プローブ型超音波破砕器は、ナノプレートレットを液体全体に均一に分散させ、凝集を防ぎ、安定した懸濁液を確保することができます。
• 機能化: 超音波処理は、それらの表面への官能基または分子の付着を促進することによって、グラフェンナノプレートレットの機能化を促進する。この機能化により、特定のポリマーまたは材料との適合性が高まります。

超音波処理によるグラフェンナノプレートレット合成

グラフェンナノプレートレットは、超音波支援グラファイト剥離によって合成することができる。したがって、グラファイト懸濁液は、プローブ型超音波ホモジナイザーを使用して超音波処理されます。この手順は、非常に低い(例えば4wt%以下)から高い固体(例えば10wt%以上)の濃度でテストされています。
 
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.

得られたグラフェンナノシートの高分解能透過型電子顕微鏡像
超音波支援水相分散とハマー法を介して。
(研究とグラフィック:ガネムとレヒム、2018年)

グラフェンシートとナノプレートレットの違いは何ですか?

グラフェンシートとグラフェンナノプレートレットはどちらも、六方格子に配置された炭素原子の単層であるグラフェンで構成されるナノ材料です。時々、グラフェンシートとグラフェンナノプレートレットは交換可能な用語として使用されます。しかし、科学的には、これらのグラフェンナノ材料の間にはいくつかの違いがあります:グラフェンシートとグラフェンナノプレートレットの主な違いは、それらの構造と厚さにあります。グラフェンシートは炭素原子の単層で構成され、非常に薄いですが、グラフェンナノプレートレットはより厚く、複数の積み重ねられたグラフェン層で構成されています。これらの構造の違いは、それらの特性と特定のアプリケーションへの適合性に影響を与える可能性があります。プローブ型超音波処理器の使用は、グラフェン単層グラフェンシートおよび数層積層グラフェンナノプレートレットを合成、分散、および機能化するための非常に効果的かつ効率的な技術です。

超音波処理器UP100Hを使用してグラフェンナノプレートレットの超音波合成を視覚化するグラフィック
(研究とグラフィック:ガネムとレヒム、2018年)

超音波処理を用いたグラフェンナノプレートレットの分散

単層カーボンナノプレートレット(GNP)の均一な分散は、得られる材料または製品の特性と性能に直接影響するため、さまざまな用途で重要です。したがって、超音波処理器は、様々な産業におけるグラフェンナノプレートレット分散液のために設置されている。以下の産業は、パワー超音波の使用の顕著な例です。
 

• ナノコンポジット: グラフェンナノプレートレットは、ポリマーなどのさまざまなナノ複合材料に組み込んで、機械的、電気的、および熱的特性を向上させることができます。プローブ型超音波処理器は、ポリマーマトリックス内のナノプレートレットを均一に分散させるのに役立ち、材料性能が向上します。
• 電極とバッテリー: 単層カーボンナノプレートレットは、電池やスーパーキャパシタ用の高性能電極の開発に使用されています。超音波処理は、エネルギー貯蔵能力を向上させる表面積が増加した十分に分散したグラフェンベースの電極材料を作成するのに役立ちます。
• 触媒作用： 超音波処理は、グラフェンナノプレートレットに基づく触媒材料を調製するために使用することができる。グラフェン表面上の触媒ナノ粒子の均一な分散は、様々な反応における触媒活性を高めることができる。
• センサー： 単層カーボンナノプレートレットは、ガスセンシング、バイオセンシング、環境モニタリングなど、さまざまなアプリケーション向けのセンサーの製造に使用できます。超音波処理は、センサー材料中のナノプレートレットの均質な分布を保証し、感度と性能の向上につながります。
• コーティングとフィルム: プローブ型超音波処理器は、エレクトロニクス、航空宇宙、および保護コーティングにおけるアプリケーションのためのグラフェンナノプレートレットベースのコーティングおよびフィルムを調製するために使用されます。これらの用途では、均一な分散と基材への適切な接着が不可欠です。
• 生物医学アプリケーション: 生物医学的用途では、グラフェンナノプレートレットは、薬物送達、イメージング、および組織工学に使用できます。超音波処理は、これらのアプリケーションで使用されるグラフェンベースのナノ粒子および複合材料の調製に役立ちます。

(b)X3000および(c)X8000におけるグラフェンナノプレートレットのSEM画像
(研究と画像:©アリザデら、2018年)

超音波グラフェンナノプレートレット分散液の科学的に証明された結果

科学者は、多くの研究でグラフェンナノプレートレットの合成と分散のためにヒールシャー超音波処理器を使用し、精力的に超音波の効果をテストしました。以下に、グラフェンナノプレートレットを水性スラリー、露出樹脂、モルタルなどのさまざまな混合物にうまく混合するためのいくつかの例を示します。
 
グラフェンナノプレートレットの信頼性の高い迅速な均一分散のための一般的な手順は、次の手順です。
分散のために、グラフェンナノプレートレットは、グラフェンシートの凝集を防ぐために、ヒールシャー超音波ミキサーUP400Sを使用して純粋なアセトン内で超音波処理された。アセトンは蒸発により完全に除去した。次いで、グラフェンナノプレートレットをエポキシ系の1重量%で添加し、エポキシ樹脂中で90Wで15分間超音波処理した。
(Cakir et al., 2016参照)
 
別の研究では、グラフェンナノプレートレットを添加することによるイオン液体ベースのナノ流体(イオナノ流体)の強化を調査しています。優れた分散のために、グラフェンナノプレートレット、イオン液体およびドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムの混合物を、ヒールシャープローブ型超音波処理器UP200Sを用いて約90分間均質化した。
(アリザデら、2018年を参照)

 
Tragazikis et al. (2019) は、グラフェンナノプレートレットの乳鉢への効果的な取り込みを報告している。したがって、水性グラフェン懸濁液は、通常の水道水と可塑剤の混合物にナノプレートレットを(得られた材料中の望ましい目標含有量によって刻まれた重量で)添加し、その後2分間磁気攪拌することによって製造されました。懸濁液は、24kHzの周波数で4500 J /分の電力スループットを提供する22mmソノトロードを備えたヒールシャーUP400Sデバイス(ヒールシャー超音波GmbH)を使用して、室温で90分間超音波によって均質化された。エネルギー速度と超音波処理持続時間の特定の組み合わせは、懸濁液品質の超音波パラメータの影響の綿密な調査の後に最適として確立されました。
(cf. トラガジキスら, 2019)
 
Zainal et al. (2018) 彼らの研究では、超音波処理などの適切な分散技術により、グラフェンナノプラテレレットなどのナノ材料が充填材料の特性を高めることができると述べている。これは、分散がエポキシグラウトなどの高品質のナノ複合材料を製造するための最も重要な要素の1つであるという事実によるものです。

グラフェンナノプレートレット処理のための高性能超音波処理器

ヒールシャー超音波は、ナノ材料処理のための高性能超音波装置に関しては、マーケットリーダーです。ヒールシャープローブ型超音波処理器は、グラフェンナノプレートレットの処理を含む様々な用途のための実験室や産業環境で世界的に使用されています。
最先端の技術、ドイツの職人技とエンジニアリングだけでなく、長年の技術的経験は、ヒールシャー超音波は、成功した超音波アプリケーションのためのあなたの好ましいパートナーになります。

設計・製造・コンサルティング – ドイツ製の品質

ヒールシャー超音波処理器は、その最高の品質と設計基準でよく知られています。堅牢性と簡単な操作により、当社の超音波装置を産業施設にスムーズに統合できます。過酷な条件と要求の厳しい環境は、ヒールシャー超音波処理器によって簡単に処理されます。

ヒールシャー超音波はISO認定企業であり、最先端の技術と使いやすさを備えた高性能超音波装置に特に重点を置いています。もちろん、ヒールシャー超音波処理器はCEに準拠しており、UL、CSAおよびRoHsの要件を満たしています。

下の表は私達のultrasonicatorsのおおよその処理能力の目安を与えます：