Nanopłytki grafenowe (GNP) mogą być syntetyzowane i dyspergowane z wysoką wydajnością i niezawodnością przy użyciu sonikatorów. Ultradźwięki o wysokiej intensywności są stosowane do złuszczania grafitu i uzyskiwania kilkuwarstwowego grafenu, często określanego jako nanopłytki grafenowe. Sonikacja wyróżnia się również w osiąganiu doskonałej dystrybucji nanopłytek grafenowych zarówno w zawiesinach o niskiej, jak i wysokiej lepkości.

Przetwarzanie nanopłytek grafenowych – Doskonałe wyniki dzięki sonikacji

Do przetwarzania nanopłytek grafenowych sonikatory są najbardziej wydajnym, niezawodnym i łatwym w użyciu narzędziem. Ponieważ ultradźwięki mogą być stosowane do syntezy, dyspersji i funkcjonalizacji nanopłytek grafenowych, sonikatory są wykorzystywane do wielu zastosowań związanych z grafenem:

• Złuszczanie i synteza Sonikatory typu sondowego są używane do złuszczania grafitu do kilkuwarstwowego grafenu lub nanopłytek grafenowych. Ultradźwięki o wysokiej intensywności zakłócają siły międzywarstwowe i rozbijają grafit na mniejsze, pojedyncze arkusze grafenu.
• Rozproszenie: Osiągnięcie równomiernej dyspersji nanopłytek grafenowych w ciekłym medium ma kluczowe znaczenie dla wszystkich zastosowań związanych z grafenem. Sonikatory sondowe mogą równomiernie rozpraszać nanopłytki w cieczy, zapobiegając aglomeracji i zapewniając stabilną zawiesinę.
• Funkcjonalizacja: Sonikacja ułatwia funkcjonalizację nanopłytek grafenowych poprzez promowanie przyłączania grup funkcjonalnych lub cząsteczek do ich powierzchni. Funkcjonalizacja ta zwiększa ich kompatybilność z określonymi polimerami lub materiałami.

Synteza nanopłytek grafenowych poprzez sonikację

Nanopłytki grafenowe mogą być syntetyzowane przez wspomagane ultradźwiękami złuszczanie grafitu. Dlatego zawiesina grafitu jest sonikowana za pomocą homogenizatora ultradźwiękowego typu sondy. Procedura ta została przetestowana przy bardzo niskich (np. 4wt% lub niższych) do wysokich stężeniach stałych (np. 10wt% lub wyższych).
 
Ghanem and Rehim (2018) report the ultrasonic exfoliation of graphite in water with the aid of sodium dodecyl benzene sulfonate (SDS) in order to prepare dispersed graphene nanoplatelets using a the probe-type sonicator UP 100H allowed for the successful preparation of defect-free few-layer graphene (>5). The following precursor was used: reduced graphene nanosheets were prepared via Hummer method and treated with two additional steps, oxidation of graphite followed by reduction of graphene oxide. Thereby, dispersed graphene nanoplatelets were obtained in water via solvent dispersion method (see scheme below). Graphite layers were exfoliated with sonication using the probe-type sonicator UP100H (100 W). 0.25 g SDS was dissolved in 150 mL deionized water and then 0.5 g of graphite was added. The graphite solution was sonicated for 12h in an ice bath and then the suspension solution was centrifuged at 686× g for 30 min to remove the large particles. The precipitate was discarded and supernatant was re-centrifuged for 90 min at 12,600× g. The obtained dispersed graphene nanoplatelets were washed well several times to get rid of the surfactant. Finally, the product was dried at 60ºC under vacuum.

Obrazy z transmisyjnego mikroskopu elektronowego o wysokiej rozdzielczości otrzymanych nanosieci grafenowych
za pomocą wspomaganej ultradźwiękami dyspersji fazy wodnej i metody Hummera.
(Opracowanie i grafika: Ghanem i Rehim, 2018)

Jaka jest różnica między arkuszami grafenu a nanopłytkami?

Arkusze grafenowe i nanopłytki grafenowe to nanomateriały składające się z grafenu, który jest pojedynczą warstwą atomów węgla ułożonych w sześciokątną siatkę. Czasami arkusze grafenowe i nanopłytki grafenowe są używane zamiennie. Z naukowego punktu widzenia istnieje jednak kilka różnic między tymi nanomateriałami grafenowymi: Podstawowa różnica między arkuszami grafenowymi a nanopłytkami grafenowymi polega na ich strukturze i grubości. Arkusze grafenowe składają się z pojedynczej warstwy atomów węgla i są wyjątkowo cienkie, podczas gdy nanopłytki grafenowe są grubsze i składają się z wielu ułożonych warstw grafenu. Te różnice strukturalne mogą wpływać na ich właściwości i przydatność do konkretnych zastosowań. Zastosowanie sonikatorów jest wysoce skuteczną i wydajną techniką syntezy, dyspersji i funkcjonalizacji jednowarstwowych arkuszy grafenowych, jak również kilkuwarstwowych nanopłytek grafenowych.

Graficzna wizualizacja ultradźwiękowej syntezy nanopłytek grafenowych przy użyciu sonikatora UP100H
(Opracowanie i grafika: Ghanem i Rehim, 2018)

Dyspersja nanopłytek grafenowych za pomocą sonikacji

Jednolita dyspersja nanopłytek grafenowych (GNP) ma kluczowe znaczenie w różnych zastosowaniach, ponieważ bezpośrednio wpływa na właściwości i wydajność powstałych materiałów lub produktów. Dlatego sonikatory są instalowane do dyspersji nanopłytek grafenowych w różnych gałęziach przemysłu. Następujące branże są dobrymi przykładami wykorzystania ultradźwięków mocy:
 

• Nanokompozyty: Nanopłytki grafenowe mogą być włączane do różnych materiałów nanokompozytowych, takich jak polimery, w celu poprawy ich właściwości mechanicznych, elektrycznych i termicznych. Sonikatory typu sondowego pomagają w równomiernym rozpraszaniu nanopłytek w matrycy polimerowej, co skutkuje poprawą wydajności materiału.
• Elektrody i baterie: Nanopłytki grafenowe są wykorzystywane w opracowywaniu wysokowydajnych elektrod do baterii i superkondensatorów. Sonikacja pomaga tworzyć dobrze zdyspergowane materiały elektrodowe na bazie grafenu o zwiększonej powierzchni, co poprawia możliwości magazynowania energii.
• Kataliza: Sonikacja może być wykorzystana do przygotowania materiałów katalitycznych opartych na nanopłytkach grafenowych. Jednolita dyspersja nanocząstek katalitycznych na powierzchni grafenu może zwiększyć aktywność katalityczną w różnych reakcjach.
• Czujniki: Nanopłytki grafenowe mogą być wykorzystywane w produkcji czujników do różnych zastosowań, w tym do wykrywania gazu, biosensingu i monitorowania środowiska. Sonikacja zapewnia jednorodny rozkład nanopłytek w materiałach czujników, co prowadzi do poprawy czułości i wydajności.
• Powłoki i folie: Sonikatory sondowe są wykorzystywane do przygotowywania powłok i folii na bazie nanopłytek grafenowych do zastosowań w elektronice, lotnictwie i powłokach ochronnych. Jednolita dyspersja i właściwa przyczepność do podłoży mają kluczowe znaczenie dla tych zastosowań.
• Zastosowania biomedyczne: W zastosowaniach biomedycznych nanopłytki grafenowe mogą być wykorzystywane do dostarczania leków, obrazowania i inżynierii tkankowej. Sonikacja pomaga w przygotowaniu nanocząstek i kompozytów na bazie grafenu wykorzystywanych w tych zastosowaniach.

Obrazy SEM nanopłytek grafenowych przy (b) X3000 i (c) X8000
(Opracowanie i zdjęcia: ©Alizadeh et al., 2018)

Potwierdzone naukowo wyniki dla ultradźwiękowych dyspersji nanopłytek grafenowych

Naukowcy wykorzystali sonikatory Hielschera do syntezy i dyspersji nanopłytek grafenowych w licznych badaniach i energicznie testowali efekty ultradźwięków. Poniżej znajduje się kilka przykładów udanego mieszania nanopłytek grafenowych z różnymi mieszaninami, takimi jak zawiesiny wodne, żywice epoksydowe lub zaprawy.
 
Powszechna procedura niezawodnego, szybkiego i jednolitego rozpraszania nanopłytek grafenowych jest następująca:
W celu zdyspergowania nanopłytki grafenowe poddano działaniu ultradźwięków w czystym acetonie za pomocą mieszalnika ultradźwiękowego Hielscher UP400S przez prawie godzinę, aby zapobiec aglomeracji arkuszy grafenowych. Aceton został całkowicie usunięty przez odparowanie. Następnie nanopłytki grafenowe dodano w ilości 1% wagowych układu epoksydowego i poddano działaniu ultradźwięków w żywicy epoksydowej przy 90W przez 15 minut.
(por. Cakir et al., 2016)
 
W innym badaniu zbadano wzmocnienie nanopłynów na bazie cieczy jonowych (jonopłynów) poprzez dodanie nanopłatków grafenowych. W celu uzyskania lepszej dyspersji mieszaninę nanopłytek grafenowych, cieczy jonowej i dodecylobenzenosulfonianu sodu homogenizowano za pomocą sonikatora UP200S firmy Hielscher przez około 90 minut.
(por. Alizadeh i in., 2018)

 
Tragazikis et al. (2019) donoszą o skutecznym włączeniu nanopłytek grafenowych do zaprawy. W związku z tym wodne zawiesiny grafenowe wytworzono przez dodanie nanopłytek - o masie wpisanej przez pożądaną zawartość docelową w wynikowych materiałach - w mieszaninach zwykłej wody wodociągowej i plastyfikatora, a następnie mieszanie magnetyczne przez 2 minuty. Zawiesiny homogenizowano za pomocą ultradźwięków przez 90 minut w temperaturze pokojowej, przy użyciu urządzenia Hielscher UP400S (Hielscher Ultrasonics GmbH) wyposażonego w sonotrodę 22 mm dostarczającą moc 4500 J/min przy częstotliwości 24 kHz. Określona kombinacja szybkości energii i czasu trwania sonikacji została ustalona jako optymalna po skrupulatnym zbadaniu wpływu parametrów ultradźwiękowych jakości zawiesiny.
(por. Tragazikis i in., 2019)
 
Zainal et al. (2018) stwierdzają w swoich badaniach, że odpowiednia technika dyspersji, taka jak sonikacja, zapewnia, że nanomateriały, takie jak nanopłatki grafenu, mogą poprawić właściwości materiałów wypełniających. Wynika to z faktu, że dyspersja jest jednym z najważniejszych czynników w produkcji wysokiej jakości nanokompozytów, takich jak zaprawa epoksydowa.

Wysokowydajne sonikatory do przetwarzania nanopłytek grafenowych

Hielscher Ultrasonics jest liderem na rynku, jeśli chodzi o wysokowydajne ultrasonografy do przetwarzania nanomateriałów. Sonikatory Hielscher są używane na całym świecie w laboratoriach i warunkach przemysłowych do różnych zastosowań, w tym do przetwarzania nanopłytek grafenowych.
Najnowocześniejsza technologia, niemieckie rzemiosło i inżynieria, a także wieloletnie doświadczenie techniczne sprawiają, że Hielscher Ultrasonics jest preferowanym partnerem w zakresie udanych zastosowań ultradźwiękowych.

Projektowanie, produkcja i doradztwo – Jakość Made in Germany

Ultradźwięki firmy Hielscher są znane z najwyższej jakości i standardów konstrukcyjnych. Solidność i łatwa obsługa pozwalają na płynną integrację naszych ultradźwięków z obiektami przemysłowymi. Surowe warunki i wymagające środowiska są łatwo obsługiwane przez ultradźwięki Hielscher.

Hielscher Ultrasonics jest firmą posiadającą certyfikat ISO i kładzie szczególny nacisk na ultradźwięki o wysokiej wydajności, charakteryzujące się najnowocześniejszą technologią i łatwością obsługi. Oczywiście ultradźwięki Hielscher są zgodne z CE i spełniają wymagania UL, CSA i RoHs.

Poniższa tabela daje wskazanie przybliżonej mocy przerobowych naszych ultrasonicators: