水分散性グラフェンの超音波剥離

• 超音波剥離により、単層および二層のグラフェンナノシートを、高い処理能力と低コストで迅速に製造できます。
• 超音波で剥離したグラフェンをバイオポリマーで機能化することにより、水分散性グラフェンを得ることができます。
• 超音波キャビテーションにより、合成したグラフェンをさらに処理して、安定した水系分散液にすることができます。

高品質グラフェンの超音波剥離

超音波処理は、グラファイトのフレークや粒子からグラフェン層（単層、二層および少数層グラフェン）を製造するための信頼性の高い方法です。ボールミル、ロールミル、高せん断ミキサーなどの一般的な剥離技術には、品質の低さや、反応性の強い試薬および溶媒の使用が伴いますが、超音波剥離法は、高品質な生成物、高い処理能力、温和な処理条件という優れた特長を備えています。
超音波キャビテーションは強力なせん断力を生み出し、積層したグラファイト層を、欠陥のない単層、二層および少数層のグラフェンに分離します。

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、水や有機溶媒中でカーボンナノチューブの絡まりを解くための、再現性のある結果が得られる効果的な手法です。[/caption]通常の条件では、グラフェンは水にほとんど分散せず、水性媒体に分散させると集合体や凝集体を形成します。水系システムには、低コスト、無毒、環境に優しいという大きな利点があるため、水系グラフェンシステムはグラフェン製造業者や下流産業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、超音波で剥離したグラフェンを、プルラン、キトサン、アルギン酸塩、ゼラチン、アラビアガムなどの多糖類 / バイオポリマーで修飾します。

超音波によるグラファイト直接剥離の手順

非イオン性のプルランと陰イオン性のアルギン酸塩（1.0 g）をそれぞれ20 mlの蒸留水に溶解し、陽イオン性のキトサン（0.4 g）は1 wt%の酢酸を含む20 mlの蒸留水に溶解しました。グラファイト粉末をこれらのバイオポリマー水溶液に分散させ、チタン製ソノトロード（マイクロチップS3、先端直径3 mm、最大振幅210µm、音響パワー密度または表面強度460 W cm-2）を備えたプローブ型超音波装置UP200S（最大出力200 W、周波数24 kHz、Hielscher Ultrasonics、ドイツ）を用いて、0.5サイクル、振幅50%の条件で、それぞれ10、20、30、60 min処理しました。最良の結果は、30minの超音波処理で得られました。超音波処理は出力16.25 Wで30分間行い、エネルギー消費量（単位体積当たりのエネルギー出力）は731 Ws ml-1でした。
続いて、混合物を1500 rpmで60 min遠心分離して未剥離のグラファイト粒子を除去し、その後5回洗浄して、再び5000 rpmで20 min遠心分離し、過剰なバイオポリマーを除去しました。得られた濃灰色の溶液を、質量減少がなくなるまで40ºC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、特性評価のために水に再分散させました（プルランとキトサンは1 mg ml-1、アルギン酸塩は0.18 mg ml-1）。プルラン、アルギン酸塩、キトサンを用いた超音波処理で得られたグラフェンシートを、それぞれpull-G、alg-G、chit-Gと表記しました。
三つの系のうち、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。この方法により、側方（エッジ）の欠陥がわずかな、剥離された単層、二層および少数層のグラフェンシートが得られました。グラフェン表面へのバイオポリマーの吸着により、水系分散液は長期間（6か月超）にわたって安定性を維持します。
（参照：Unalan et al. 2015）

水中のグラファイトフレークの超音波による機械的剥離を示す高速連続画像（a–f） （3-mmソノトロードを備えた200W超音波装置UP200Sを使用）。 矢印は、キャビテーション気泡が入り込んだ裂け目の分裂（剥離）箇所を示しています。
（研究および画像：© Tyurnina et al. 2020

グラフェン剥離用超音波装置

Hielscherの高出力超音波プロセッサーは、グラファイトおよびグラフェンの剥離と分散に成功を収め、世界中で使用されています。当社の超音波分散装置は、実験室用や卓上型から、本格的な産業用生産装置まで幅広く取り揃えています。Hielscherの超音波装置は、堅牢性、24/7運転、メンテナンスの少なさに加え、処理の容易さと線形のスケールアップ性に優れています。
プロセスは実験室で容易に試験し、最適化できます。その後、すべてのプロセス結果を完全に線形に商業生産規模へスケールアップできます。このため、超音波処理は、高品質のグラフェンシートを大量に製造するための、効果的かつ効率的な方法となります。
Hielscher Ultrasonicsの産業用超音波プロセッサーは、非常に高い振幅を実現できます。最大200µmの振幅で、24/7の連続運転を容易に行えます。さらに高い振幅に対応するため、特注の超音波ソノトロードも用意しています。適合する超音波リアクターにより、高品質のグラフェンナノシートおよび安定したナノシート分散液を、確実かつ安全に大量生産できます。

Hielscherの超音波装置は堅牢であるため、高負荷や過酷な環境下でも24/7運転が可能です。
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。