水分散性グラフェンの超音波剥離
- 単層および二層のグラフェンナノシートは、超音波剥離により、高スループットかつ低コストで迅速に製造することができる。
- 超音波剥離グラフェンは、水分散性グラフェンを得るために生体高分子で官能基化することができる。
- 超音波キャビテーションにより、合成されたグラフェンは、さらに安定した水性分散液に加工することができる。
高品質のグラフェンの超音波剥離
超音波処理は、グラファイトフレークまたは粒子からグラフェン層(単層、二層および数層グラフェン)を製造するための信頼性の高い方法です。ボールミルやロールミル、高せん断ミキサーなどの他の一般的な剥離技術は、低品質と積極的な試薬や溶剤の使用に関連していますが、超音波剥離法は、その高品質の出力、高い処理能力、穏やかな処理条件によって納得します。
超音波キャビテーションは、積み重ねられたグラファイト層を欠陥のないグラフェンの単層、二層および少数の層に分離する強いせん断力を生じさせる。
超音波処理による水分散性グラフェンシート
超音波処理は、水または有機溶媒中のカーボンナノチューブを解くための再現性のある結果を伴う効果的な手順です。[/キャプション]通常の条件下では、グラフェンは水にほとんど分散せず、水性媒体に分散すると凝集体と凝集体を形成します。水性システムには、安価で毒性がなく、環境に優しいという大きな利点があるため、水性グラフェンシステムはグラフェンメーカーや下流業界にとって非常に魅力的です。
水分散性グラフェンナノシートを得るために、超音波剥離グラフェンをプルラン、キトサン、アルギン酸塩、ゼラチンまたはアラビアガムなどの多糖類/生体高分子で修飾する。
- 高品質のグラフェン
- 高収率
- 水性分散液
- 高濃度
- 高効率
- 迅速なプロセス
- 低コスト
- ハイスループット
- 環境にやさしい
工業規模のグラフェン剥離のためのプローブ型超音波装置を備えた超音波反応器
超音波を用いたグラファイトの直接剥離のプロトコール
非イオン性プルランとアニオン性アルギン酸(1.0 g)を別々に20 mlの蒸留水に溶解したのに対し、カチオン性キトサン(0.4 g)を20 mlの蒸留水に1 wt%酢酸とともに溶解しました。グラファイト粉末を水性生体高分子溶液中に分散させ、プローブ型超音波装置UP200S(最大電力200W、周波数24kHz、ヒールシャー超音波、ドイツ)を使用して処理したチタンソノトロード(マイクロチップS3、先端直径3mm、最大振幅210μm、音響パワー密度または表面強度460W cm-2)を以下の条件下で装備した:0.5サイクルおよび50%振幅、 それぞれ 10 分、20 分、30 分、60 分。最良の結果は30分の超音波処理で得られた。超音波処理を16.25Wの電力で30分間適用し、エネルギー消費量(単位体積当たりのエネルギー出力)を731Ws ml-1とした。
続いて、混合物を1500rpmで60分間遠心分離して、剥離していないグラファイト粒子を除去し、次いで5回洗浄し、再度5000rpmで20分間遠心分離して、過剰な生体高分子を除去した。得られたダークグレーの溶液を、質量損失がなくなるまで40°Cで真空乾燥しました。得られたポリマー-グラフェン粉末を水(プルランおよびキトサンの場合は1 mg ml-1、アルギン酸の場合は0.18 mg ml-1)に再分散して特性評価を行いました。プルラン、アルギン酸、およびキトサン支援超音波処理によって得られたグラフェンシートは、それぞれプルG、アルg-G、およびチットGとして示されました。
3つのシステムのうち、プルランとキトサンは、アルギン酸塩よりもグラファイトの剥離に効果的でした。この方法では、剥離した単層、二層、および数層のグラフェンシートが得られ、横方向(エッジ)の欠陥が少ないだけでした。グラフェン表面への生体高分子の吸着により、水性分散液の長期安定性(6ヶ月以上)が得られます。
(cf. Unalan et al. 2015)
水中のグラファイトフレークのソノメカニカル剥離を示すフレームの高速シーケンス(aからfまで) UP200S、200mmソノトロードを備えた3W超音波装置を使用します。 矢印は、キャビテーションバブルがスプリットを貫通するスプリット(剥離)の場所を示しています。
pull-GのTEM画像:(a)10分;(b) 20分;(c) 30分;(d) 60分;(e) チットG 30分間。(f) alg-G for 30 min. (Unalan et al. 2015)
グラフェン剥離のための超音波装置
ヒールシャーの高出力超音波プロセッサは、グラファイトとグラフェンの成功した剥離と分散のために世界中で使用されています。当社の超音波分散機は、ラボおよびベンチトップから完全な工業生産ユニットまでご利用いただけます。堅牢性、24? 7操作と低メンテナンスに加えて、ヒールシャー超音波装置は、処理の高い容易さと線形スケーラビリティによって納得します。
プロセスはラボで簡単にテストおよび最適化できます。その後、すべてのプロセス結果を商業生産レベルまで完全に直線的にスケーリングできます。これにより、超音波処理は大量の高品質グラフェンシートのための効果的かつ効率的な製造方法になります。
ヒールシャー超音波工業用超音波プロセッサは、非常に高い振幅を提供することができます。最大200μmの振幅は、24/7操作で簡単に連続運転できます。さらに高い振幅のために、カスタマイズされた超音波ソノトロードが利用可能です。マッチング超音波リアクターは、高品質のグラフェンナノシートと安定したナノシート分散液の信頼性と安全性の高い大量生産能力を保証します。
ヒールシャーの超音波装置の堅牢性は、ヘビーデューティと要求の厳しい環境での24 / 7操作を可能にします。
以下の表は、当社の超音波装置のおおよその処理能力を示しています。
| バッチボリューム | 流量 | 推奨デバイス |
|---|---|---|
| 10〜2000mL | 20〜400mL/分 | UP200HTの, UP400セント |
| 0.1〜20L | 0.2 から 4L/min | UIP2000hdT |
| 10〜100L | 2〜10L/分 | UIP4000 |
| N.A. | 10〜100L/min | UIP16000 |
| N.A. | 大きい | クラスタ UIP16000 |
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2Dナノシートの超音波剥離のメカニズム。
知っておく価値のある事実
グラフェン
グラフェンはspの単層です2-結合した炭素原子。グラフェンは、非常に大きな比表面積(2620 m)などのユニークな材料特性を提供します。2g-1)、ヤング率1 TPa、固有強度130 GPa、非常に高い電子伝導率(室温での電子移動度2.5 × 105 cm)の優れた機械的特性2 V-1s-1)、非常に高い熱伝導率(3000 W m K以上)-1) を使用して、最も重要なプロパティに名前を付けます。グラフェンは、その優れた材料特性により、高性能バッテリー、燃料電池、太陽電池、スーパーキャパシタ、水素貯蔵、電磁シールド、電子デバイスの開発と製造に多用されています。さらに、グラフェンは、ポリマー、セラミックス、金属マトリックスなど、多くのナノ複合材料や複合材料に強化添加剤として組み込まれています。グラフェンは導電性が高いため、導電性塗料やインクの重要な成分です。
迅速で安全な 欠陥のないグラフェンの超音波調製 低コストで大量に、グラフェンの用途をますます多くの産業に広げることができます。
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
- Adam K. Budniak, Niall A. Killilea, Szymon J. Zelewski, Mykhailo Sytnyk, Yaron Kauffmann, Yaron Amouyal, Robert Kudrawiec, Wolfgang Heiss, Efrat Lifshitz (2020): Exfoliated CrPS4 with Promising Photoconductivity. Small Vol.16, Issue1. January 9, 2020.
- Anastasia V. Tyurnina, Iakovos Tzanakis, Justin Morton, Jiawei Mi, Kyriakos Porfyrakis, Barbara M. Maciejewska, Nicole Grobert, Dmitry G. Eskin 2020): Ultrasonic exfoliation of graphene in water: A key parameter study. Carbon, Vol. 168, 2020.
- Unalan I.U., Wan C., Trabattoni S., Piergiovannia L., Farris S. (2015): Polysaccharide-assisted rapid exfoliation of graphite platelets into high quality water-dispersible graphene sheets. RSC Advances 5, 2015. 26482–26490.
- del Bosque, A.; Sánchez-Romate, X.F.; Sánchez, M.; Ureña, A. (2022): Easy-Scalable Flexible Sensors Made of Carbon Nanotube-Doped Polydimethylsiloxane: Analysis of Manufacturing Conditions and Proof of Concept. Sensors 2022, 22, 5147.
