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プローブソニケーションによるグラフェンナノプレートレットの合成と分散

グラフェンナノプレートレット(GNPs)は、超音波処理装置を用いて高効率かつ高信頼性で合成・分散することができる。グラファイトを剥離し、グラフェンナノプレートレットと呼ばれる数層のグラフェンを得るには、高強度の超音波処理を用いる。ソニケーションはまた、低粘性および高粘性懸濁液のいずれにおいても、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る。

グラフェンナノプレートレット加工 – ソニケーションによる優れた結果

グラフェンナノプレートレット加工において、プローブタイプのソニケーターは最も効率的で、信頼性が高く、使いやすいツールである。超音波処理はグラフェンナノプレートレットの合成、分散、機能化に適用できるため、超音波処理装置はグラフェン関連の数多くのアプリケーションに使用されている:

  • 剥離と合成 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、プローブ型超音波照射装置が使用される。高強度超音波は、層間力を破壊し、グラファイトをより小さなグラフェンシートに分解する。
  • 分散: グラフェンナノプレートレットを液体媒体中に均一に分散させることは、グラフェン関連のあらゆる用途にとって極めて重要である。プローブ型ソニケーターは、ナノプレートレットを液体中に均一に分散させることができ、凝集を防ぎ、安定した懸濁液を確保することができます。
  • 官能基化: ソニケーションは、グラフェンナノプレートレット表面への官能基や分子の付着を促進し、グラフェンナノプレートレットの機能化を容易にする。この官能基化によって、特定のポリマーや材料との相溶性が向上する。

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16,000ワットの分散能力を持つ超音波分散機MultiSonoReactorは、グラフェンナノプレートレットをエクスポイ樹脂やセメントに混合するのに使用される。

グラフェンナノプレートレットの工業用インライン分散用超音波分散システム

超音波処理によるグラフェンナノプレートの合成

グラフェンナノプレートレットは、超音波によるグラファイト剥離によって合成することができる。そのため、プローブ型超音波ホモジナイザーを用いてグラファイト懸濁液を超音波処理する。この方法は、非常に低濃度(例えば4wt%以下)から高濃度(例えば10wt%以上)の固形分濃度でテストされている。
 
グラフェンナノプレートの分散と剥離のためのポータブルソニケーターUP100H。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.

超音波処理による欠陥のない数層積層グラフェンナノプレートレットの作製

得られたグラフェンナノシートの高分解能透過電子顕微鏡像
超音波アシスト水相分散とハマー法を介して。
(研究・図版:Ghanem and Rehim, 2018)

 

超音波合成されたナノ流体は、効率的な冷却剤および熱交換器用液体である。グラフェンナノプレートレットなどの熱伝導性ナノ材料は、熱伝導および熱放散能力を著しく向上させる。超音波は、グラフェンナノプレートレットのような熱伝導性ナノ粒子の合成や機能化においてよく知られている。

CNTをポリエチレングリコール(PEG)に分散 - Hielscher Ultrasonics

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グラフェンシートとナノプレートレットの違いは?

グラフェンシートとグラフェンナノプレートレットは、いずれも炭素原子が六角形格子に配列した単層グラフェンからなるナノ材料である。グラフェンシートとグラフェンナノプレートレットは同じ用語として使われることもある。しかし、科学的には、これらのグラフェンナノマテリアルにはいくつかの違いがある: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、その構造と厚さにある。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、その構造と厚さにある。グラフェンシートは炭素原子の単層で構成され、非常に薄いが、グラフェンナノプレートレットは厚く、複数のグラフェン層が積層されている。このような構造の違いは、特性や特定の用途への適合性に影響を与える可能性がある。プローブ型ソニケーターを用いることで、単層グラフェンシートや数層積層グラフェンナノプレートレットを合成、分散、機能化することができる。

プローブ型超音波発生装置UP100Hを用いたグラファイト剥離により、原始的なグラフェンナノプレートレットが得られた

ソニケーターUP100Hを用いたグラフェンナノプレートレットの超音波合成を可視化したグラフィック
(研究・図版:Ghanem and Rehim, 2018)

安定した水性懸濁液中でグラフェンナノプレートレットなどのナノ粒子を分散させるためのプローブ型超音波発生装置UP400St。

プローブ型ソニケーター UP400St グラフェンナノプレートレット分散液の調製のための

超音波によるグラフェンナノプレートレットの分散

グラフェンナノプレートレット(GNP)の均一な分散は、得られる材料や製品の特性や性能に直接影響するため、さまざまな用途において極めて重要である。そのため、さまざまな産業でグラフェン・ナノプレートレットの分散用に超音波発生装置が設置されている。以下の産業は、パワー超音波を使用した顕著な例である:
 

  • ナノ複合材料: グラフェンナノプレートレットは、ポリマーなどの様々なナノ複合材料に組み込むことで、その機械的、電気的、熱的特性を向上させることができる。プローブ型ソニケーターは、ポリマーマトリックス内にナノプレートレットを均一に分散させるのに役立ち、その結果、材料の性能が向上する。
  • 電極とバッテリー: グラフェ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る。ソニケーションは、表面積を増大させ、エネルギー貯蔵能力を向上させる、よく分散したグラフェンベースの電極材料の作製に役立つ。
  • 触媒作用: グラフェンナノプレートレットをベースとした触媒材料の調製には、超音波処理を用いることができる。グラフェン表面に触媒ナノ粒子を均一に分散させることで、さまざま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: グラフェ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、さまざまな用途のセンサーの製造に利用できる。ソニケーションは、センサー材料におけるナノプレートレットの均一な分布を保証し、感度と性能の向上につながる。
  • コーティングとフィルム エレクトロニクス、航空宇宙、保護膜などの用途で使用されるグラフェンナノプレートをベースとしたコーティングやフィルムの作製には、プローブタイプのソニケーターが使用される。これらの用途では、均一な分散と基板への適切な接着が重要です。
  • 生物医学的応用: バイオメディカル用途では、グラフェンナノプレートレットをドラッグデリバリー、イメージング、組織工学に用いることができる。ソニケーションは、このような用途に使用されるグラフェンベースのナノ粒子や複合体の調製に役立つ。
グラフェンナノプレートレットは、超音波処理によってうまく合成・分散できる。

(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像。
(研究・画像:©Alizadeh et al.)

超音波合成されたナノ流体は、効率的な冷却剤および熱交換器用液体である。熱伝導性ナノ材料は、熱伝達と熱放散能力を著しく向上させます。超音波処理は、熱伝導性ナノ粒子の合成と機能化、および冷却用途の安定した高性能ナノ流体の製造において、十分に確立されています。

ポリエチレングリコール(PEG)へのCNTの分散

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超音波グラフェンナノプレートレット分散の科学的実証結果

科学者たちは、グラフェン・ナノプレートレットの合成と分散にヒールシャー社のソニケーターを使用し、数多くの研究を行い、超音波処理の効果を精力的に検証してきました。以下に、グラフェン・ナノプレートレットを水性スラリー、エポキシ樹脂、モルタルなどの様々な混合物にうまく混合した例をいくつかご紹介します。
 
グラフェンナノプレートレットを確実かつ迅速に均一に分散させるための一般的な手順は以下の通りである:
分散には、グラフェンシートの凝集を防ぐため、Hielscher社製の超音波ミキサーUP400Sを用いて、グラフェンナノプレートレットを純アセトン中で約1時間超音波処理した。アセトンは蒸発させて完全に除去した。次に、グラフェンナノプレートレットをエポキシ樹脂に対して1wt%添加し、90Wで15分間超音波処理を行った。
(参照:Cakir et al.)
 
別の研究では、グラフェンナノプレートレットを添加してイオン液体ベースのナノ流体(イオナノ流体)を強化することを検討している。優れた分散性を得るため、グラフェンナノプレートレット、イオン液体、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムの混合物を、Hielscher社のプローブ型ソニケーターUP200Sを用いて約90分間ホモジナイズした。
(Alizadehら、2018参照)。

 
Tragazikisら(2019)は、グラフェンナノプレートレットをモルタルに効果的に組み込むことを報告している。そのため、水性グラフェン懸濁液は、通常の水道水と可塑剤の混合液にナノプレートレット(得られる材料中の望ましい目標含有量に内接する重量)を添加し、その後2分間磁気攪拌することによって製造した。懸濁液は、室温で90分間、超音波処理によって均質化された。Hielscher UP400S 装置(Hielscher Ultrasonics GmbH)は、周波数24 kHzで4500 J/分の出力を供給する22 mm-ソノトロードを装備している。エネルギーレートと超音波処理時間の特定の組み合わせは、懸濁液の品質に及ぼす超音波処理パラメーターの影響を綿密に調査した結果、最適なものとして確立された。
(トラガジキスら、2019参照)。
 
Zainalら(2018)はその研究の中で、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ットレットなどのナノ材料がインフィル材料の特性を確実に向上させ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のような高品質のナノコンポジットの製造にとって最も重要な要因の1つであるという事実によるものである。

グラフェンナノプレートレットはイオン性ナノ流体の熱特性を向上させる。最良の分散結果を得るために、ナノプレートレットは、Hielscher社のプローブ型ソニケーターUP400S

純粋なBMIM-PF6(左)と超音波で調製した2%重量イオナノフルイド(右)。
(研究・画像:©Alizadeh et al.)

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グラフェンナノプレートレット加工用高性能ソニケーター

Hielscher Ultrasonics社は、ナノ材料加工用の高性能超音波処理装置のマーケットリーダーです。Hielscher社のプローブ型超音波振動子は、グラフェンナノプレートレットの加工を含む様々な用途で、世界中の研究所や産業現場で使用されています。
最先端の技術、ドイツの職人技とエンジニアリング、そして長年の技術経験により、Hielscher Ultrasonicsは超音波アプリケーションを成功に導くパートナーとして選ばれています。

なぜHielscher Ultrasonicsなのか?

  • 高性能
  • 最先端技術
  • 信頼性 & 堅牢性
  • 調整可能で正確なプロセス制御
  • バッチ & インライン
  • どのボリュームに対しても
  • インテリジェント・ソフトウェア
  • スマート機能(プログラマブル、データプロトコール、リモートコントロールなど)
  • 操作が簡単で安全
  • ローメンテナンス
  • CIP(クリーンインプレイス)

デザイン、製造、コンサルティング – 品質 ドイツ製

Hielscher社の超音波装置は、その最高の品質と設計基準でよく知られています。頑丈で操作が簡単なため、産業設備にスムーズに組み込むことができます。過酷な条件や厳しい環境でも、Hielscherの超音波装置は容易に対応できます。

Hielscher Ultrasonics社は、ISO認証取得企業であり、最先端の技術と使いやすさを特徴とする高性能超音波振動子に特に重点を置いています。もちろん、Hielscherの超音波装置はCEに準拠しており、UL、CSA、RoHsの要件を満たしています。

下の表は、超音波処理装置の処理能力の目安です:

バッチ量 流量 推奨デバイス
00.5〜1.5mL n.a. バイアルツイーター
1〜500mL 10~200mL/分 UP100H
10〜2000mL 20~400mL/分 UP200Ht, UP400ST
0.1~20L 0.2~4L/分 UIP2000hdT
10~100L 2~10L/分 UIP4000hdT
15~150L 3~15L/分 UIP6000hdT
n.a. 10~100L/分 uip16000
n.a. より大きい クラスタ uip16000

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超音波高剪断ホモジナイザーは、実験室、ベンチトップ、パイロットおよび工業処理で使用されます。

Hielscher Ultrasonics社は、ラボスケール、パイロットスケール、工業スケールの混合アプリケーション、分散、乳化、抽出用の高性能超音波ホモジナイザーを製造しています。



文献・参考文献

知っておくべき事実

グラフェンシート vs グラフェンナノプレートレット

グラフェンシートとグラフェンナノプレートレットは、どちらもグラファイト由来のナノ構造である。下の表は、グラフェンシートとグラフェンナノプレートレットの最も顕著な違いを示している。
 

差別化 グラフェン・シート グラフェンナノプレートレット
構造 グラフェンシートは通常、2次元構造を持つグラフェンの単層である。グラフェンシートは非常に大きく連続的であり、巨視的な領域に広がることもある。 グラフェン・ナノプレートレットは、個々のグラフェンシートに比べて小さく厚い。グラフェン・ナノプレートレットは、グラフェンの複数の層が積み重なった板状の構造体である。ナノプレートレットの層数はさまざまだが、通常は数層から数十層の範囲である。
厚さ これらは単層グラフェン構造であるため、非常に薄く、通常は原子1個分の厚さしかない。 グラフェンナノプレートレットは、複数のグラフェン層が積層されているため、単層グラフェンシートよりも厚い。グラフェンナノプレートレットの厚さは、含まれる層の数によって決まる。
プロパティ 単層グラフェンシートは、高い電気伝導性、熱伝導性、機械的強度といった卓越した特性を持っている。また、量子閉じ込め効果のようなユニークな電子特性も示す。 グラフェンナノプレートレットは、高い電気伝導性や熱伝導性など、グラフェンの優れた特性の一部を保持しているが、複数の層が存在するため、これらの点では単層グラフェンほど卓越したものではないかもしれない。しかし、それでも従来の炭素材料にはない利点がある。
アプリケーション 単層グラフェンシートは、エレクトロニクス、ナノコンポジット、センサーなど、幅広い応用が期待されている。単層グラフェンシートは、その卓越した電子特性により、しばしば利用されている。 グラフェンナノプレートレットは、複合材料の補強材、潤滑剤、エネルギー貯蔵デバイス、他の材料の特性を向上させる添加剤など、さまざまな用途に使用されている。単層グラフェンよりも厚い構造を持つため、特定のマトリックスに分散しやすい。

高性能超音波Hielscherの製品レンジは、コンパクトな実験用超音波発生器から卓上型超音波発生器、そして工業用超音波システムまで、あらゆる範囲をカバーしています。

Hielscher Ultrasonics社は、高性能の超音波ホモジナイザーを製造しています。 ラブ への 工業用サイズ。

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