水性グラフェンエクスフォリエーション
超音波剥離は、純水のみを使用して、過酷な溶剤を使用せずに数層のグラフェンを製造することを可能にします。高出力超音波処理は、短時間の処理でグラフェンシートを剥離します。溶剤を避けることで、グラフェンの剥離は環境に優しく持続可能なプロセスに変わります。
液相剥離によるグラフェン製造
グラフェンは、いわゆる液相剥離によって商業的に製造されています。グラフェンの液相剥離には、毒性があり、環境に有害で高価な溶剤を使用する必要があり、これは化学的前処理として、または機械的分散技術と組み合わせて使用されます。グラフェンシートの機械的分散のために、超音波処理は、完全に工業レベルで高品質のグラフェンシートを大量に生産するための非常に信頼性が高く、効率的で安全な技術として確立されています。刺激の強い溶剤の使用には、常にコスト、汚染、複雑な除去と廃棄、安全性への懸念、環境負荷が伴うため、無毒で安全な代替品は非常に有利です。したがって、水を溶媒として使用し、数層のグラフェンシートを機械的に層間剥離するためのパワー超音波を使用したグラフェン剥離は、グリーングラフェン製造にとって非常に有望な技術です。
グラフェンナノシートを分散させるための液相としてよく使用される一般的な溶媒には、ジメチルスルホキシド(DMSO)、N,N-ジメチルホルムアミド(DMF)、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)、テトラメチル尿素(TMU)、テトラヒドロフラン(THF)、プロピレンカーボネートアセトン(PC)、エタノール、ホルムアミドなどがあります。
商業規模でのグラフェン剥離のためのすでに長期的に確立された技術として、超音波処理は低コストで高純度の高品質のグラフェンを製造することを可能にする。超音波グラフェン剥離は、任意の体積に完全に線形にスケーリングできるため、高品質のグラフェンフレークの生産収率をグラフェンの大量生産に容易に実装できます。
UIP2000hdTは、2kWの強力な超音波分散機です グラフェンの剥離と分散用。
水中のグラフェンの超音波剥離
Tyurninaら(2020)は、純水グラファイト溶液とその結果生じるグラフェン剥離に対する振幅と超音波処理強度の影響を調査しました。研究では、彼らはヒールシャーUP200S(200W、24kHz)を使用しました。水を使用した超音波剥離は、数層のグラフェン層間剥離のためのシングルステッププロセスとして適用されました。2時間の短い処理は、オープンビーカー超音波処理セットアップで数層のグラフェンを生成するのに十分でした。
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、24 mmソノトロードを備えた3kHz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。
超音波グラフェン剥離の最適化
Tyurnina et al.(2020)が使用した超音波セットアップは、フロースルーモードで閉鎖型超音波リアクターを使用することで、より効率的で迅速な剥離のために容易に最適化することができます。超音波インライン処理は、すべてのグラファイト原料の有意により均一な超音波処理を可能にする:超音波キャビテーションの限られた空間に直接グラファイト/水溶液を供給すると、すべてのグラファイトは均一に超音波処理され、高品質のグラフェンフレークの高収率をもたらす。
ヒールシャー超音波システムは、振幅、時間/保持、エネルギー入力(Ws? mL)、圧力、温度などのすべての重要な処理パラメータを正確に制御することができます。最適な超音波パラメータを設定することで、最高の歩留まり、品質、全体的な効率が得られます。
超音波処理はどのようにしてグラフェンの剥離を促進しますか
高出力の超音波がグラファイト粉末と水または任意の溶媒のスラリーに結合されると、高せん断、激しい乱流、高圧および温度差などの音響機械的な力がエネルギー集約的な状態を作り出します。これらのエネルギー集約的な条件は、音響キャビテーションの現象の結果です。
超音波キャビテーションの詳細については、こちらをご覧ください。
パワー超音波は、グラファイトが構成されているグラフェン層間で流体が押されるため、グラファイト粉末の膨張を開始します。超音波せん断力は、グラフェンの単一シートを剥離し、それらを溶液中のグラフェンフレークとして分散させる。水中でのグラフェンの長期安定性を得るためには、界面活性剤が必要です。
グラフェン剥離の超音波液相剥離のメカニズム。
グラフェン剥離のための高性能超音波装置
のスマートな機能は ヒールシャー超音波装置 信頼性の高い操作、再現性のある結果、および使いやすさを保証するように設計されています。操作設定は、デジタルカラータッチディスプレイとブラウザのリモートコントロールを介してアクセスできる直感的なメニューから簡単にアクセスし、ダイヤルすることができます。したがって、正味エネルギー、総エネルギー、振幅、時間、圧力、温度などのすべての処理条件は、内蔵SDカードに自動的に記録されます。これにより、以前の超音波処理の実行を修正および比較し、グラフェン剥離プロセスを最高の効率に最適化することができます。
ヒールシャー超音波システムは、高品質のグラフェンシートと酸化グラフェンの製造に世界中で使用されています。ヒールシャー工業用超音波装置は、連続運転(24/7/365)で高振幅を容易に実行できます。最大200μmの振幅は、標準的なソノトロード(超音波プローブ/ホーン、 カスカトロードティッカー).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。その堅牢性とメンテナンスの手間が省けるため、当社の超音波剥離システムは、一般的にヘビーデューティな用途や要求の厳しい環境に設置されています。
グラフェン剥離のためのヒールシャー超音波プロセッサは、すでに商業規模で世界中で設置されています。グラフェン製造プロセスについてご相談に応じます。私たちの経験豊富なスタッフは、剥離プロセス、超音波システム、価格設定に関する詳細情報を共有させていただきます!
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| バッチボリューム | 流量 | 推奨デバイス |
|---|---|---|
| 1〜500mL | 10〜200mL/分 | UP100Hの |
| 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 | UIP4000hdTの |
| N.A. | 10〜100L/min | UIP16000 |
| N.A. | 大きい | クラスタ UIP16000 |
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ヒールシャー超音波は、実験室、パイロットおよび工業規模での混合アプリケーション、分散、乳化および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。
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
- 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. 737-747.
(Available under a Creative Commons Attribution 4.0: CC BY-NC-ND 4.0. See full terms here.) - Štengl V., Henych J., Slušná M., Ecorchard P. (2014): Ultrasound exfoliation of inorganic analogues of graphene. Nanoscale Research Letters 9(1), 2014.
- 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.
- Bang, J. H.; Suslick, K. S. (2010): Applications of Ultrasound to the Synthesis of Nanostructured Materials. Advanced Materials 22/2010. pp. 1039-1059.
- Štengl, V.; Popelková, D.; Vlácil, P. (2011): TiO2-Graphene Nanocomposite as High Performance Photocatalysts. In: Journal of Physical Chemistry C 115/2011. pp. 25209-25218.
知っておく価値のある事実
グラフェンとは?
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。
欠陥のないグラフェンを低コストで大量に迅速かつ安全に超音波調製することで、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。
グラフェンは原子1個分の厚さの炭素の層で、グラフェンの単層または2次元構造(単層グラフェン=SLG)といえます。グラフェンは、非常に大きな比表面積と優れた機械的特性(ヤング率1 TPa、固有強度130 GPa)を持ち、優れた電子伝導率と熱伝導率、電荷キャリア移動度、透明性を提供し、ガスに対して不透過性です。これらの材料特性により、グラフェンは、複合材料に強度、導電性などを与えるための補強添加剤として使用されます。グラフェンの特性を他の材料と組み合わせるためには、グラフェンをコンパウンドに分散させるか、基板上に薄膜コーティングとして塗布する必要があります。
高性能超音波!ヒールシャーの製品範囲は、コンパクトなラボ用超音波装置からベンチトップユニットまでの全スペクトルをカバーしています 卓上型超音波システム フルインダストリアル超音波システムまで。