ヒールシャー超音波技術

超音波グラフェン生産

グラファイト剥離を介したグラフェンの超音波合成は、工業的規模で高品質のグラフェンシートを製造するための最も信頼性が高く、有利な方法です。 ヒールシャーの高性能超音波プロセッサは正確に制御可能であり、24時間365日の操作で非常に高い振幅を生成することができます。これは、簡単かつサイズ制御可能な方法で原始グラフェンの大量を準備することができます。

グラフェンの超音波準備

グラフェンシートグラファイトの異常な特性が知られているので、その調製のためのいくつかの方法が開発されている。非常に強力な酸化剤および還元剤が必要とされる多段階プロセスにおけるグラフェン酸化物からのグラフェンの化学生成に加えて。さらに、これらの過酷な化学条件下で調製されたグラフェンは、他の方法から得られたグラフェンと比較して、還元後でさえも多くの欠陥を含むことが多い。しかしながら、超音波は、高品質のグラフェンを大量に製造するための証明された代替物でもある。研究者は、超音波を使用してわずかに異なる方法を開発しましたが、一般的に、グラフェンの製造は単純な1ステップのプロセスです。
特定グラフェン製造ルートの一例を得た:グラファイトは希薄有機酸、アルコール、および水の混合物に添加し、次いで混合物を超音波照射にさらされます。酸として働きます “分子ウェッジ” その親グラファイトからグラフェンのシートを分離します。この単純な方法によって、水に分散損傷していない、高品質なグラフェンの大量が作成されます。 (ら。2010)

Hielscher's High Power Ultrasound Devices are the ideal tool to prepare graphene - both in lab scale as well as in full commercial process streams

図1:異なる位置(Stankovichら、2007)で取得した3つの高さプロファイルを有する剥離GOシートのAFM像

UIP2000hdT - 液体処理のための2kW超音波装置。

UIP2000hdT – グラフェン剥離のための2kW強力な超音波装置

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グラフェンの直接ピーリング

超音波は、有機溶媒、界面活性剤/水の溶液、またはイオン性液体中のグラフェンの製造を可能にします。これは、強力な酸化剤または還元剤の使用を避けることができることを意味しています。 Stankovichら。 (2007)は、超音波の下で剥離することによりグラフェンを生成します。
1ミリグラムの濃度で超音波処理によって剥離グラフェン酸化物のAFM画像は、/水mLを常に(〜1nmで、一例が図に示されている1以下。)、均一な厚さを有するシートの存在を明らかにしました。酸化グラフェンのこれらよく剥離した試料は、個々のグラフェン酸化物シートまで酸化グラフェンの完全な剥離が実際にこれらの条件の下で達成されたという結論を導く、1nmのよりないシートのいずれかより厚いまたはより薄い含まれます。 (Stankovichら、2007)

グラフェンシートの作製

Stenglら。複合ペルオキソグラフェンナノシートとチタニアとサスペンションの熱加水分解によって非化学量論的酸化チタングラフェンnanocompositの製造時大量に純粋なグラフェンシートの調製に成功したことを示しています。純粋なグラフェンナノシートは、ヒールシャーの超音波処理によって生成された高強度のキャビテーションフィールドを使用して、天然黒鉛から製造しました。 UIP1000hd 5バールの高圧の超音波反応器です。高い比表面積と独特の電子特性を用いて、得られたグラフェンシートは、光触媒活性を高めるために酸化チタンのための良好な支持体として使用することができます。研究グループは、超音波調製グラフェンの品質は、黒鉛を剥離し、酸化されたハマーの方法により得られたグラフェンよりもはるかに高いと主張しています。超音波反応器内の物理的条件を正確に制御できるようにし、ドーパントとしてグラフェンの濃度が1の範囲で変化するであろうという仮定によって – 00.001パーセント、連続システムにおけるグラフェンの製造に 商業規模 可能だ。

酸化グラフェンの超音波処理の準備

ああら。 (2010)酸化グラフェン(GO)層を生成するために超音波照射を用いて調製経路を示しています。したがって、それらは、脱イオン水200mlにグラフェン酸化物粉末の25ミリグラムを停止しました。攪拌することにより、それらは不均一な褐色の懸濁液を得ました。得られた懸濁液を(30分間、1.3×105J)を超音波処理し、そして(373 Kで)乾燥させた後、超音波処理された酸化グラフェンを作製しました。 FTIR分光法は、超音波処理は、酸化グラフェンの官能基を変化させなかったことを示しました。

超音波剥離グラフェン酸化物ナノシート

図2:超音波(Ohら2010)によって得られたグラフェンナノシートのSEM像

ヒールシャーUIP4000hdTでグラフェンの超音波合成

UIP4000hdT – 4 kW高出力超音波装置

グラフェンシートの機能化

徐とSuslick(2011)ポリスチレン官能化黒鉛の調製のための便利な一段階法を記載します。彼らの研究では、彼らは基本的な原料としてグラファイトフレークとスチレンを使用しました。スチレン(反応性モノマー)でグラファイトフレークを超音波処理することによって、超音波照射は、単層及び少数層のグラフェンシートにグラファイトフレークのメカノ剥離が生じました。同時に、ポリスチレン鎖を有するグラフェンシートの官能化は達成されています。
官能の同じプロセスは、グラフェンに基づいて、複合材料のための他のビニルモノマーを用いて行うことができます。

ナノリボンの調製

スタンフォード大学のHongjie Daiらの研究グループは、ナノリボンを調製する技術を発見した。グラフェンリボンは、グラフェンシートよりもはるかに有用な特性を有するグラフェンの薄いストリップである。約10nm以下の幅では、電子が長手方向に移動するように強制されるため、グラフェンリボンの挙動は半導体と類似している。それによって、エレクトロニクスにおいて半導体様の機能を有するナノリボン(例えば、より小型で高速なコンピュータチップ用)を使用することは興味深い可能性がある。
DAIら。二段階にグラフェンナノリボンの塩基の調製:まず、彼らは、アルゴンガスに3%の水素で1分間1000℃の熱処理によりグラファイトからグラフェンの層を緩め。その後、グラフェンは、超音波を使用してストリップに分割しました。この技術によって得られたナノリボンは、「スムーズにずっとによって特徴付けられます’ 従来のリソグラフィによって作られたものよりも縁。 (交通ら、2009)

カーボンNanoscrollsの調製

炭素Nanoscrollsは、多層カーボンナノチューブに類似しています。たMWCNTの差が開いているヒントや他の分子への内面の完全なアクセス可能性です。彼らは、カリウムとグラファイトをインターカレー水中で剥離し、コロイド懸濁液を超音波処理することによって、湿式化学的に合成することができます。 (参照Viculisら、2003)超音波は、炭素nanoscrollsにグラフェンの単層の上にスクロール助ける(図3参照します)。 80%の高い変換効率は、商用アプリケーションのためのnanoscrollsの生産は興味深いこと、達成されています。

炭素nanoscrollsの超音波支援合成

図3:カーボンNanoscrolls(Viculisら、2003)の超音波の合成

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グラフェン分散液

グラフェンと酸化グラフェンの分散グレードは、その特有の特性を持つグラフェンの可能性を最大限に引き出すために非常に重要です。制御された条件下でグラフェンが分散されない場合、グラフェンの分散特性は、構造パラメータの関数として変化するため、デバイスに組み込まれると予測できない挙動または非理想的な挙動を引き起こす可能性がある。超音波処理は、層間力を弱めるための実績のある治療法であり、重要な加工パラメータを正確に制御することができます。
「典型的には、単層シートとして剥離されたグラフェン酸化物(GO)の場合、メイン多分散課題の一つは、フレークの側面積の変化から生じます。 GOの平均横方向のサイズは、グラファイト出発材料及び超音波処理条件を変えることにより、20μmと400nmとから移動させることができることが示されている。」(Greenら。2010)
超音波 分散 微細でさえコロイドスラリーで得られるグラフェンの種々の他の研究で実証されています。 (Liuら2011 /ベビーら2011 / Choiら。2010)
Zhangら。 (2010)・超音波の使用によって1mgの濃度の高い安定なグラフェン分散液・ML-1及び比較的純粋なグラフェンシートが達成されることを示し、そしてように調製グラフェンシートは、712のSの高い導電性を発揮していますメートル-1。フーリエ変換赤外スペクトル及びラマンスペクトル検査の結果は、超音波調製方法は、グラフェンの化学的および結晶構造へのより少ない損傷を持っていることが示されました。

高性能超音波装置

高品質グラフェンナノシートの製造には、信頼性の高い高性能超音波装置が必要です。振幅、圧力、温度は、再現性と一貫した製品品質のために不可欠な必須パラメータです。ヒールシャー超音波’ 超音波プロセッサは、プロセスパラメータと連続的な高出力超音波出力の正確な設定を可能にする強力かつ正確に制御可能なシステムです。ヒールシャー超音波’ 産業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。200μmまでの振幅は24/7操作で容易に連続的に動くことができる。さらに高い振幅のために、カスタマイズされた超音波ソトローデが利用可能です。ヒールシャーの超音波装置の強さは頑丈で、要求の厳しい環境で24/7操作を可能にする。
当社のお客様は、ヒールシャー超音波のシステムの優れた堅牢性と信頼性に満足しています。頑丈な適用、要求の厳しい環境および24/7操作の分野の取付けは有効で、経済的な処理を保障する。超音波プロセスの強化は、処理時間を短縮し、より良い結果、すなわち、より高品質、より高い収率、革新的な製品を達成します。
下の表は私達のultrasonicatorsのおおよその処理能力の目安を与えます:

バッチ容量 流量 推奨デバイス
01.5mlの0.5へ N.A。 VialTweeter
500mLの1〜 200mL /分で10 UP100H
2000mlの10〜 20 400mLの/分 Uf200ःトンUP400St
00.1 20Lへ 04L /分の0.2 UIP2000hdT
100Lへ10 10L /分で2 UIP4000hdT
N.A。 10 100L /分 UIP16000
N.A。 大きな のクラスタ UIP16000

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超音波グラフェンの準備を支援


ヒールシャー超音波は、分散、乳化および細胞抽出のための高性能超音波ホモジナイザーを製造しています。

ラボからパイロットおよび工業規模への高出力超音波ホモジナイザー。

文学/参考文献

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知る価値のある事実

グラフェンとは何ですか?

グラフェン - - 規則的に積層された黒鉛はSP2混成、六角形に配置された炭素原子の二次元シートから構成されています。非結合相互作用によってグラファイトを形成するグラフェンの原子薄いシートは、極端に大きい表面積によって特徴付けられます。グラフェンは約に達するとその基底レベルに沿って異常な強さと硬さを示しています。 1020 GPaでダイヤモンドのほとんど強度値。
グラフェンは、グラファイト以外に、また、カーボンナノチューブ及びフラーレンを含むいくつかの同素体の基本的な構成要素です。添加剤として使用され、グラフェンは劇的に非常に低い負荷でポリマー複合材料の電気的、物理的、機械的、およびバリア性を向上させることができます。 (徐、2011 Suslick)
その性質により、グラフェンは最上級の材料であり、それによって複合材料、コーティングまたはマイクロエレクトロニクスを製造する産業に有望です。 Geim(2009)は、グラフェンを次の段落で簡潔に説明しています。
"それは宇宙の中で最も薄い材料であり、これまで測定されたもののなかでも最も強い材料です。その電荷キャリアは、巨大な固有の移動度を示し、最小有効質量(ゼロ)を有し、室温で散乱することなくマイクロメートル長の距離を移動することができる。グラフェンは、銅よりも6桁高い電流密度を維持し、記録熱伝導率および剛性を示し、ガスに対して不透過性であり、脆さおよび延性のような矛盾する特性を調和させる。グラフェンにおける電子輸送は、ベンチトップ実験における相対論的量子現象の研究を可能にするDiracのような方程式によって記述されている。
これらの優れた材料の特性に、グラフェンは、最も有望な材料の一つであり、ナノ材料の研究の焦点に立っています。

グラフェンの潜在的な応用

生物学的応用:超音波グラフェンの調製およびその生物学的使用の例は、Park et al。による "Sonochemical Reductionによるグラフェン - 金ナノ複合体の合成"の研究に示されている。金ナノ粒子を同時に還元し、還元されたグラフェン酸化物の表面に金ナノ粒子を同時に堆積させることによって、還元グラフェン酸化物 - 金(Au)ナノ粒子からのナノコンポジットを合成した(2011)。還元されたグラフェン酸化物上に金ナノ粒子を固定するための金イオンの還元および酸素官能基の生成を容易にするために、超音波照射を反応物の混合物に適用した。金結合ペプチド修飾生体分子の生成は、グラフェンとグラフェン複合体の超音波照射の可能性を示している。したがって、超音波は、他の生体分子を調製するのに適したツールであると思われる。
エレクトロニクス:グラフェンは、電子部門のための高機能素材です。グラフェンのグリッド内の電荷キャリアの移動度が高いことで、グラフェンは、高周波技術で高速な電子部品の開発のための最高の関心事です。
センサ:超音波剥離グラフェンは抵抗急激に変化高感度かつ選択的な導電率センサー(の産生のために使用することができます >10飽和エタノール蒸気000%)、および非常に高い比容量(120 F / g)でウルトラキャパシタ、電力密度(105キロワット/ kg)で、エネルギー密度(Whを9.2 /キログラム)。 (ら。2010)
アルコール:アルコール製造のために:側アプリケーションはアルコール生産にグラフェンの使用であってもよく、そこにグラフェン膜は、アルコールを蒸留し、それによってアルコール飲料を強くするために使用することができます。
最強、最も導電性と軽量かつ最も柔軟な材料の一つとして、グラフェンは、超化学的検出のために、リチウム空気電池の陰極として太陽電池のための有望な材料、触媒、透明かつ発光ディスプレイ、マイクロメカニカル共振器、トランジスタ、あります、導電性コーティング、ならびに化合物中の添加剤としての使用。

高出力超音波の動作原理

高強度で液体を超音波処理するとき、液体媒体に伝播する音波は高圧(圧縮)サイクルと低圧(希薄)サイクルとを交互に生じ、周波数は周波数に依存する。低圧サイクルの間、高強度超音波は、液体中に小さな真空気泡または空隙を生成する。気泡がもはやエネルギーを吸収できない容積に達すると、高圧サイクル中に激しく崩壊する。この現象をキャビテーションといいます。爆縮の間、非常に高い温度(約5,000K)および圧力(約2,000atm)が局部的に達成される。の爆縮 キャビテーション バブルはまた、最大280メートル/秒の速度の液体ジェットをもたらします。 (Suslick 1998)は超音波発生するキャビテーションは、プロセスに適用することができる化学的および物理的効果を引き起こします。
キャビテーションによって誘発されます ソノケミストリー 〜5000 Kの泡内部のホットスポット、の〜1000バール、加熱と冷却の速度の圧力で、エネルギーと物質の間のユニークな相互作用を提供 >1010K S-1。これらの異常な条件が変わったナノ構造材料の多種多様の合成を可能にする、通常はアクセスできない化学反応空間の範囲へのアクセスを許可します。 (バング2010)