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単層または数層の薄い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技術として広く用いられている。Hielscher社のソニケーターは強力な音響キャビテーションを発生させ、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マイクロバブルを発生させる。この崩壊する気泡がせん断力を生み出し、酸化グラファイト層を分離し、酸化グラフェンナノシートへと効果的に剥離する。高性能の超音波を利用して、酸化グラフェンをベースにしたアプリケーションを次のレベルに引き上げましょう！
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、生分解性であり、安定したコロイドに容易に分散させることができる。超音波による剥離・分散は、酸化グラフェンを工業的規模で合成・分散・機能化するための、非常に効率的で迅速かつコスト効率の高い方法である。下流工程では、超音波分散機によって高性能の酸化グラフェン-ポリマー複合材料が製造される。
超音波角質除去の利点
超音波剥離法には、過酷な化学薬品や複雑な処理を必要としないため、簡便性、拡張性、環境への配慮など、いくつかの利点がある。さらに、酸化グラフェンナノシートのサイズと厚さを正確に制御できるため、さまざまな用途における特性のチューニングに不可欠である。
工業用超音波発生装置 UIP16000hdT ハイスループットでの酸化グラフェン剥離のために
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ためには、剥離方法が重要な役割を果たす。超音波剥離法は、プロセスパラメータを正確に制御できるため、高品質のグラフェンや酸化グラフェンの製造に最も広く用いられている剥離技術である。
酸化グラファイトからの酸化グラフェンの超音波剥離には、さまざまなプロトコルが利用可能である。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す：
酸化グラファイト粉末は、pH値10のKOH水溶液中で混合される。剥離とその後の分散には、プローブ型超音波発生装置UP200St（200W）を用いた。その後、K+イオンをグラフェン基底面に付着させ、エージングプロセスを誘導する。エージングは、回転蒸発下で行う（2時間）。過剰なK+イオンを除去するため、粉末は洗浄され、さまざまな回数遠心分離される。
得られた混合物を遠心分離して凍結乾燥すると、分散性の酸化グラフェン粉末が析出する。
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、導電性ペーストを作製することができる。(Han et al.）
超音波による酸化グラフェン剥離のメカニズム
(写真：Potts et al.）
酸化グラフェンの超音波機能化
ソニケーションは、酸化グラフェン（GO）をポリマーや複合材料に取り込むのに有効である。
例を挙げよう：
- 酸化グラフェン-酸化チタン微小球複合体
- ポリスチレン-マグネタイト-酸化グラフェン複合体（コアシェル構造）
- ポリスチレン還元酸化グラフェン複合材料
- ポリアニリン・ナノファイバー被覆ポリスチレン／酸化グラフェン（PANI-PS/GO）コアシェル複合材
- ポリスチレンインターカレート酸化グラフェン
- p-フェニレンジアミン-4-ビニルベンゼン-ポリスチレン修飾酸化グラフェン
超音波発生装置 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
超音波剥離法による酸化グラフェンの応用
超音波剥離法で製造される酸化グラフェンは、さまざまな分野で幅広く応用されている。エレクトロニクス分野では、フレキシブル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、バッテリーやスーパーキャパシターの性能を向上させる。また、酸化グラフェンの抗菌特性は生物医学的用途で重宝され、高い表面積と官能基は触媒作用や環境浄化に有利である。全体として、超音波剥離は、最先端技術に使用される高品質の酸化グラフェンの効率的な製造を促進する。
グラフェンおよび酸化グラフェン加工用ソニケーター
Hielscher Ultrasonics社は、グラフェンや酸化グラフェンの剥離、分散、加工用のハイパワー超音波システムを提供しています。信頼性の高い超音波プロセッサーと洗練されたリアクターが精密な制御を実現し、超音波プロセスを所望の目標に合わせることができます。
重要なパラメータの1つは超音波振幅で、超音波プローブの振動伸縮を決定します。Hielscher社の工業用超音波プローブは、最大200µmの高振幅を24時間365日連続運転で提供します。さらに高い振幅を得るために、カスタマイズされた超音波プローブが用意されています。すべてのプロセッサーは、プロセス条件に合わせて正確に調整され、内蔵ソフトウェアでモニターできるため、信頼性、一貫した品質、再現性のある結果を保証します。
Hielscher社のソニケーターは堅牢で、過酷な環境下でも連続運転が可能なため、大規模なグラフェン、酸化グラフェン、グラファイト材料の調製に適した製造技術となっています。
様々なサイズや形状のソノトロードやリアクターなど、幅広い超音波発生装置やアクセサリーの製品群により、最適な反応条件や試薬、超音波エネルギー入力、圧力、温度、流量などの要因を選択し、最高の品質を達成することができます。Hielscher社の超音波リアクターは、最大数百bargの加圧も可能で、25万センチポアズを超える粘度の高粘度ペーストの超音波処理も可能です。
超音波による層間剥離と剥離は、これらの要因から従来の技術より優れている。
- ハイパワー
- 高剪断力
- 高圧対応
- 精密制御
- シームレスなスケーラビリティ（リニア）
- バッチ式と連続式
- 再現性のある結果
- 信頼性
- 堅牢性
- 高いエネルギー効率
酸化グラフェン剥離用超音波システム
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知っておくべき事実
超音波とキャビテーション：超音波を用いたグラファイトの酸化グラフェンへの剥離方法
酸化グラファイト(GrO)の超音波剥離は、音響キャビテーションによって誘発される高いせん断力に基づいている。音響キャビテーションは、液体中の強力な超音波の結合によって発生する高圧／低圧の交互サイクルによって生じる。低圧サイクルの間、非常に小さな空洞または真空バブルが発生し、交互の低圧サイクルの間に成長します。真空の気泡がこれ以上エネルギーを吸収できない大きさになると、高圧サイクルの間に激しく崩壊する。気泡の崩壊は、キャビテーションせん断力と応力波、6000Kまでの極端な温度、10℃以上の極端な冷却速度をもたらす。10K/s、最高2000気圧の超高圧、極端な圧力差、最高時速1000km（約280m/s）の液体ジェット。
このような強い力がグラファイトスタックに作用すると、グラファイトは単層または数層の酸化グラフェンや原始的なグラフェンナノシートに剥離する。
酸化グラフェンとは何か？
酸化グラフェン（GO）は、酸化グラファイト（GrO）を剥離することによって合成される。酸化グラフェンは、酸素を介在させた数百万層のグラフェン層からなる3次元材料であるのに対し、酸化グラフェンは、両面に酸素を介在させた単層または数層のグラフェンである。
酸化グラフェンとグラフェンには、次のような違いがある。酸化グラフェンは極性であるのに対し、グラフェンは非極性である。酸化グラフェンは親水性であるのに対し、グラフェンは疎水性である。
つまり、酸化グラフェンは水溶性、両親媒性、非毒性、生分解性であり、安定したコロイド懸濁液を形成する。酸化グラフェンの表面にはエポキシ基、ヒドロキシル基、カルボキシル基があり、陽イオンや陰イオンと相互作用することができる。そのユニークな有機-無機ハイブリッド構造と卓越した特性により、GO-ポリマー複合材料は、さまざまな産業用途に高い可能性を提供している（Tolasz et al.(Tolasz et al.）
還元型グラフェン酸化物とは？
還元酸化グラフェン（rGO）は、酸化グラフェンの超音波還元、化学還元、熱還元によって製造される。還元工程では、酸化グラフェンのほとんどの酸素官能基が除去されるため、得られる還元グラフェン酸化物（rGO）は未加工のグラフェンと非常によく似た特性を持つ。しかし、還元グラフェン酸化物（rGO）は、純粋なグラフェンのように無欠陥で原始的なものではない。
文献／参考文献
- FactSheet: Ultrasonic Graphene Exfoliation and Dispersion – Hielscher Ultrasonics – english version
- FactSheet: Exfoliación y Dispersión de Grafeno por Ultrasonidos – Hielscher Ultrasonics – spanish version
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