酸化グラフェン – 超音波剥離と分散

超音波剥離は、酸化グラファイトを薄い単層または数層のグラフェンシートに分解して酸化グラフェンを製造するために広く用いられている技術です。Hielscherの超音波処理装置は強力な音響キャビテーションを発生させます。この現象では、エネルギー密度の高い超音波が液体媒体中に高エネルギーの微小気泡を生成します。これらの気泡が崩壊するとせん断力が生じ、酸化グラファイトの層が分離し、効果的に剥離されて酸化グラフェンナノシートになります。高性能な超音波技術を活用し、酸化グラフェンを用いた用途をさらに発展させましょう！

酸化グラフェンの超音波剥離

酸化グラフェンは水溶性、両親媒性、非毒性、生分解性を有し、容易に分散させて安定したコロイドにすることができます。超音波剥離と分散は、工業規模で酸化グラフェンを合成、分散、機能化するための、非常に効率的で迅速かつ費用対効果の高い方法です。後工程では、超音波分散装置によって高性能な酸化グラフェン–ポリマー複合材料を製造できます。

超音波剥離の利点

超音波剥離は通常、強力な化学薬品や複雑な処理を必要としないため、簡便性、スケールアップの容易さ、環境への配慮など、さまざまな利点があります。さらに、酸化グラフェンナノシートのサイズと厚さを精密に制御できます。これは、さまざまな用途に合わせてその特性を調整するうえで不可欠です。

プロトコル：酸化グラフェンの超音波剥離

酸化グラフェン（GO）ナノシートのサイズを制御するうえで、剥離方法は重要な要因です。プロセスパラメータを精密に制御できるため、超音波剥離は、高品質なグラフェンおよび酸化グラフェンの製造に最も広く用いられている層間剥離技術です。
酸化グラファイトから酸化グラフェンを超音波剥離するためのプロトコルはさまざまあります。以下に、酸化グラフェンの超音波剥離プロトコルの一例を示します。
酸化グラファイト粉末をpH値10のKOH水溶液に混合します。剥離とその後の分散には、プローブ型超音波処理装置UP200St（200W）を使用します。その後、グラフェンの基底面にK+イオンを付着させ、エージングを誘起します。エージングはロータリーエバポレーション下で行います（2 h）。過剰なK+イオンを除去するため、粉末の洗浄と遠心分離を複数回行います。
得られた混合物を遠心分離し、凍結乾燥することで、分散可能な酸化グラフェン粉末が析出します。
導電性酸化グラフェンペーストの調製：酸化グラフェン粉末を超音波処理下でジメチルホルムアミド（DMF）に分散させることで、導電性ペーストを製造できます。（Han et al.2014）

酸化グラフェンの超音波剥離のメカニズム
（図：Potts et al. 2011）

酸化グラフェンの超音波機能化

超音波処理は、酸化グラフェン（GO）をポリマーや複合材料に組み込むために効果的に用いられています。
例：

• 酸化グラフェン–TiO2マイクロスフェア複合材料
• ポリスチレン–マグネタイト–酸化グラフェン複合材料（コア–シェル構造）
• ポリスチレン–還元型酸化グラフェン複合材料
• ポリアニリンナノファイバーで被覆されたポリスチレン／酸化グラフェン（PANI-PS/GO）コア–シェル複合材料
• ポリスチレンを層間挿入した酸化グラフェン
• p-phenylenediamine-4vinylbenzen-polystyreneで修飾した酸化グラフェン

超音波剥離で製造した酸化グラフェンの用途

超音波剥離で製造した酸化グラフェンは、多様な分野で幅広い用途があります。電子分野では柔軟な導電性フィルムやセンサーに使用され、エネルギー貯蔵分野では電池やスーパーキャパシタの性能を向上させます。酸化グラフェンの抗菌特性は生物医学分野での用途に有用であり、大きな比表面積と官能基は触媒作用や環境修復に有利です。総じて、超音波剥離は、最先端技術に使用する高品質な酸化グラフェンの効率的な製造を促進します。

グラフェンおよび酸化グラフェンの加工用超音波処理装置

Hielscher Ultrasonicsは、グラフェンおよび酸化グラフェンの剥離、分散、加工用の高出力超音波システムを提供しています。信頼性の高い超音波処理装置と高度なリアクターが精密な制御を実現し、目的に合わせて超音波プロセスを調整できます。
重要なパラメータの一つが超音波振幅であり、超音波プローブの振動による伸縮を決定します。Hielscherの工業用超音波処理装置は最大200µmの高振幅を実現し、24/7の連続運転が可能です。さらに高い振幅には、特注の超音波プローブを利用できます。すべての処理装置はプロセス条件に合わせて精密に調整でき、内蔵ソフトウェアによる監視も可能で、信頼性、一貫した品質、再現性のある結果を確保します。
Hielscherの超音波処理装置は堅牢で、過酷な使用環境でも連続運転できるため、超音波処理はグラフェン、酸化グラフェン、グラファイト系材料の大規模な調製に適した生産技術として選ばれています。
さまざまなサイズや形状のソノトロードとリアクターを含む、幅広い超音波処理装置およびアクセサリーの製品群により、試薬、超音波エネルギー投入量、圧力、温度、流量などの最適な反応条件や要因を選択し、最高品質を達成できます。Hielscherの超音波リアクターは数百bargまでの加圧も可能で、粘度が250,000センチポアズを超える高粘度ペーストの超音波処理を実現します。
これらの要因により、超音波による層間剥離と剥離は従来の技術を上回ります。