Grafēna nanoplāksnīšu sintēze un disperģēšana, izmantojot apstrādi ar ultraskaņas zondi

Grafēna nanoplāksnītes (GNP) var sintezēt un disperģēt ar augstu efektivitāti un uzticamību, izmantojot ultraskaņas apstrādes ierīces. Augstas intensitātes apstrādi ar ultraskaņu izmanto grafīta eksfoliācijai un dažu slāņu grafēna iegūšanai, ko bieži dēvē par grafēna nanoplāksnītēm. Apstrāde ar ultraskaņu arī nodrošina izcilu grafēna nanoplāksnīšu sadalījumu gan zemas, gan augstas viskozitātes suspensijās.

Grafēna nanoplāksnīšu apstrāde – izcili rezultāti ar ultraskaņu

Grafēna nanoplāksnīšu apstrādei zondes tipa ultraskaņas apstrādes ierīces ir visefektīvākais, uzticamākais un visvieglāk lietojamais instruments. Tā kā apstrādi ar ultraskaņu var izmantot grafēna nanoplāksnīšu sintēzei, disperģēšanai un funkcionalizēšanai, ultraskaņas apstrādes ierīces izmanto daudzos ar grafēnu saistītos lietojumos:

• Eksfoliācija un sintēze Zondes tipa ultraskaņas apstrādes ierīces izmanto grafīta eksfoliācijai, iegūstot dažu slāņu grafēnu vai grafēna nanoplāksnītes. Augstas intensitātes apstrāde ar ultraskaņu pārvar starpslāņu mijiedarbības spēkus un sadala grafītu mazākās, atsevišķās grafēna loksnēs.
• Disperģēšana: Vienmērīgas grafēna nanoplāksnīšu dispersijas iegūšana šķidrā vidē ir būtiska visos ar grafēnu saistītajos lietojumos. Zondes tipa ultraskaņas apstrādes ierīces var vienmērīgi disperģēt nanoplāksnītes visā šķidruma tilpumā, novēršot aglomerāciju un nodrošinot stabilu suspensiju.
• Funkcionalizēšana: Apstrāde ar ultraskaņu atvieglo grafēna nanoplāksnīšu funkcionalizēšanu, veicinot funkcionālo grupu vai molekulu piesaisti to virsmām. Šī funkcionalizēšana uzlabo to saderību ar konkrētiem polimēriem vai materiāliem.

Grafēna nanoplāksnīšu sintēze, izmantojot apstrādi ar ultraskaņu

Grafēna nanoplāksnītes var sintezēt, veicot grafīta eksfoliāciju ar ultraskaņas palīdzību. Šim nolūkam grafīta suspensiju apstrādā ar ultraskaņu, izmantojot zondes tipa ultraskaņas homogenizatoru. Šī procedūra ir pārbaudīta cietās fāzes koncentrācijām no ļoti zemām (piemēram, 4wt% vai zemākām) līdz augstām (piemēram, 10wt% vai augstākām).
 
Ghanem un Rehim (2018) ziņo par grafīta eksfoliāciju ūdenī ar ultraskaņu, izmantojot nātrija dodecilbenzolsulfonātu (SDS), lai iegūtu disperģētas grafēna nanoplāksnītes; zondes tipa ultraskaņas apstrādes ierīces UP 100H izmantošana ļāva sekmīgi iegūt dažu slāņu grafēnu (>5) bez defektiem. Tika izmantots šāds prekursors: reducētas grafēna nanoloksnes sagatavoja ar Hummer metodi un apstrādāja divos papildu posmos – grafīta oksidēšana, kam sekoja grafēna oksīda reducēšana. Tādējādi ūdenī tika iegūtas disperģētas grafēna nanoplāksnītes, izmantojot disperģēšanas metodi šķīdinātājā (skatīt shēmu zemāk). Grafīta slāņus eksfoliēja, apstrādājot ar ultraskaņu un izmantojot zondes tipa ultraskaņas apstrādes ierīci UP100H (100 W). 0,25 g SDS izšķīdināja 150 mL dejonizēta ūdens un pēc tam pievienoja 0,5 g grafīta. Grafīta šķīdumu apstrādāja ar ultraskaņu 12h ledus vannā, pēc tam suspensijas šķīdumu centrifugēja pie 686× g 30 min, lai atdalītu lielās daļiņas. Nogulsnes izmeta, un supernatantu atkārtoti centrifugēja 90 min pie 12 600× g. Iegūtās disperģētās grafēna nanoplāksnītes vairākas reizes rūpīgi mazgāja, lai atbrīvotos no virsmaktīvās vielas. Visbeidzot produktu žāvēja vakuumā 60ºC temperatūrā.

Augstas izšķirtspējas transmisijas elektronu mikroskopa attēli ar grafēna nanoloksnēm, kas iegūtas
ar ultraskaņas veicinātu disperģēšanu ūdens fāzē un Hummer metodi.
(Pētījums un attēls: Ghanem un Rehim, 2018)

Kāda ir atšķirība starp grafēna loksnēm un nanoplāksnītēm?

Gan grafēna loksnes, gan grafēna nanoplateletes ir nanomateriāli, ko veido grafēns – viens oglekļa atomu slānis, kurā atomi izkārtoti heksagonālā režģī. Dažkārt terminus «grafēna loksnes» un «grafēna nanoplateletes» lieto savstarpēji aizvietojami. Taču zinātniskā izpratnē starp šiem grafēna nanomateriāliem pastāv dažas atšķirības: galvenā atšķirība starp grafēna loksnēm un grafēna nanoplateletēm ir to struktūra un biezums. Grafēna loksnes sastāv no viena oglekļa atomu slāņa un ir ārkārtīgi plānas, savukārt grafēna nanoplateletes ir biezākas un sastāv no vairākiem citu uz cita sakrautiem grafēna slāņiem. Šīs strukturālās atšķirības var ietekmēt to īpašības un piemērotību konkrētiem lietojumiem. Zondes tipa ultraskaņas apstrādes ierīču izmantošana ir ļoti iedarbīga un efektīva metode gan viena slāņa grafēna lokšņu, gan dažu citu uz cita sakrautu slāņu grafēna nanoplatelešu sintēzei, disperģēšanai un funkcionalizēšanai.

Shēma, kas attēlo grafēna nanoplatelešu sintēzi ar ultraskaņu, izmantojot ultraskaņas apstrādes ierīci UP100H
(Pētījums un shēma: Ghanem un Rehim, 2018)

Grafēna nanoplatelešu disperģēšana, izmantojot apstrādi ar ultraskaņu

Grafēna nanoplatelešu (GNP) vienmērīga disperģēšana ir izšķiroši svarīga dažādos lietojumos, jo tā tieši ietekmē iegūto materiālu vai produktu īpašības un veiktspēju. Tādēļ dažādās nozarēs uzstāda ultraskaņas apstrādes ierīces grafēna nanoplatelešu dispersiju sagatavošanai. Tālāk minētās nozares ir spilgti lieljaudas ultraskaņas izmantošanas piemēri:
 

• Nanokompozīti: Grafēna nanoplateletes var iestrādāt dažādos nanokompozītmateriālos, piemēram, polimēros, lai uzlabotu to mehāniskās, elektriskās un termiskās īpašības. Zondes tipa ultraskaņas apstrādes ierīces palīdz vienmērīgi disperģēt nanoplateletes polimēra matricā, tādējādi uzlabojot materiāla ekspluatācijas īpašības.
• Elektrodi un akumulatori: Grafēna nanoplateletes izmanto augstas veiktspējas elektrodu izstrādē akumulatoriem un superkondensatoriem. Apstrāde ar ultraskaņu palīdz izveidot labi disperģētus grafēna bāzes elektrodu materiālus ar palielinātu virsmas laukumu, kas uzlabo enerģijas uzkrāšanas spēju.
• Katalīze: Apstrādi ar ultraskaņu var izmantot, lai sagatavotu katalītiskus materiālus uz grafēna nanoplatelešu bāzes. Vienmērīga katalītisko nanodaļiņu disperģēšana uz grafēna virsmas var palielināt katalītisko aktivitāti dažādās reakcijās.
• Sensori: Grafēna nanoplateletes var izmantot sensoru izgatavošanā dažādiem lietojumiem, tostarp gāzu noteikšanai, bioloģiskajai detektēšanai un vides monitoringam. Apstrāde ar ultraskaņu nodrošina nanoplatelešu viendabīgu sadalījumu sensoru materiālos, tādējādi uzlabojot jutību un veiktspēju.
• Pārklājumi un plēves: Zondes tipa ultraskaņas apstrādes ierīces izmanto, lai sagatavotu pārklājumus un plēves uz grafēna nanoplatelešu bāzes izmantošanai elektronikā, aviācijas un kosmosa nozarē, kā arī aizsargpārklājumos. Šajos lietojumos izšķiroši svarīga ir vienmērīga disperģēšana un atbilstoša saķere ar pamatnēm.
• Biomedicīniskie lietojumi: Biomedicīniskajos lietojumos grafēna nanoplateletes var izmantot zāļu piegādei, attēlveidošanai un audu inženierijā. Apstrāde ar ultraskaņu palīdz sagatavot šajos lietojumos izmantotās grafēna bāzes nanodaļiņas un kompozītus.

Grafēna nanoplatelešu SEM attēli (b) X3000 un (c) X8000 palielinājumā
(Pētījums un attēli: ©Alizadeh et al., 2018)

Zinātniski pierādīti rezultāti grafēna nanoplatelešu disperģēšanā ar ultraskaņu

Zinātnieki daudzos pētījumos ir izmantojuši Hielscher ultraskaņas apstrādes ierīces grafēna nanoplāksnīšu sintēzei un disperģēšanai un rūpīgi pārbaudījuši ultraskaņas apstrādes ietekmi. Tālāk sniegti daži piemēri veiksmīgai grafēna nanoplāksnīšu iejaukšanai dažādos maisījumos, piemēram, ūdens suspensijās, epoksīdsveķos vai būvjavā.
 
Grafēna nanoplāksnīšu uzticamai, ātrai un vienmērīgai disperģēšanai parasti izmanto šādu procedūru:
Disperģēšanai grafēna nanoplāksnītes gandrīz vienu stundu apstrādāja ar ultraskaņu tīrā acetonā, izmantojot Hielscher ultraskaņas maisītāju UP400S, lai novērstu grafēna lokšņu aglomerāciju. Acetonu pilnībā atdalīja iztvaicējot. Pēc tam grafēna nanoplāksnītes pievienoja epoksīdsveķu sistēmai 1 wt % apmērā un apstrādāja ar ultraskaņu epoksīdsveķos 15 minūtes ar 90W jaudu.
(sal. Cakir et al., 2016)
 
Citā pētījumā aplūkota uz jonu šķidrumiem balstītu nanošķidrumu (jonu nanošķidrumu) īpašību uzlabošana, pievienojot grafēna nanoplāksnītes. Lai panāktu izcilu disperģēšanu, grafēna nanoplāksnīšu, jonu šķidruma un nātrija dodecilbenzolsulfonāta maisījumu aptuveni 90 min homogenizēja, izmantojot Hielscher zondes tipa ultraskaņas apstrādes ierīci UP200S.
(sal. Alizadeh et al., 2018)

 
Tragazikis et al. (2019) ziņo par efektīvu grafēna nanoplāksnīšu iestrādāšanu būvjavā. Šim nolūkam grafēna ūdens suspensijas sagatavoja, pievienojot nanoplāksnītes – tādā masā, kas atbilst vēlamajam mērķa saturam iegūtajos materiālos – parasta krāna ūdens un plastifikatora maisījumiem un pēc tam 2 min maisot ar magnētisko maisītāju. Suspensijas 90 min homogenizēja ar ultraskaņu istabas temperatūrā, izmantojot Hielscher UP400S ierīci (Hielscher Ultrasonics GmbH), kas aprīkota ar 22mm sonotrodi un nodrošināja 4500 J/min jaudu pie 24 kHz frekvences. Konkrētā enerģijas padeves ātruma un ultraskaņas apstrādes ilguma kombinācija tika atzīta par optimālu pēc rūpīgas ultraskaņas apstrādes parametru ietekmes uz suspensijas kvalitāti izpētes.
(sal. Tragazikis et al., 2019)
 
Zainal et al. (2018) savā pētījumā norāda, ka piemērota disperģēšanas metode, piemēram, apstrāde ar ultraskaņu, nodrošina to, ka nanomateriāli, piemēram, grafēna nanoplāksnītes, var uzlabot aizpildīšanas materiālu īpašības. Tas ir tāpēc, ka disperģēšana ir viens no svarīgākajiem faktoriem augstas kvalitātes nanokompozītu, piemēram, epoksīdsveķu javas, ražošanā.

Augstas veiktspējas ultraskaņas apstrādes ierīces grafēna nanoplāksnīšu apstrādei

Hielscher Ultrasonics ir tirgus līderis augstas veiktspējas ultraskaņas ierīču jomā nanomateriālu apstrādei. Hielscher zondes tipa ultraskaņas apstrādes ierīces visā pasaulē izmanto laboratorijās un rūpniecībā dažādiem lietojumiem, tostarp grafēna nanoplāksnīšu apstrādei.
Vismodernākās tehnoloģijas, vācu meistarība un inženierzināšanas, kā arī ilggadēja tehniskā pieredze padara Hielscher Ultrasonics par jūsu vēlamo partneri veiksmīgai ultraskaņas izmantošanai.

Projektēšana, ražošana un konsultācijas – Vācijā radīta kvalitāte

Hielscher ultraskaņas ierīces ir plaši pazīstamas ar visaugstākajiem kvalitātes un konstrukcijas standartiem. Izturība un vienkārša lietošana ļauj mūsu ultraskaņas ierīces netraucēti integrēt rūpnieciskās ražotnēs. Hielscher ultraskaņas ierīces viegli tiek galā ar skarbiem apstākļiem un prasīgu darba vidi.

Hielscher Ultrasonics ir ISO sertificēts uzņēmums, kas īpašu uzmanību pievērš augstas veiktspējas ultraskaņas ierīcēm ar modernākajām tehnoloģijām un lietotājam ērtu darbību. Protams, Hielscher ultraskaņas ierīces atbilst CE prasībām un izpilda UL, CSA un RoHs prasības.

Tālāk redzamā tabula sniedz priekšstatu par mūsu ultraskaņas ierīču aptuveno apstrādes jaudu: