Exfolierea cu ultrasunete a grafenului dispersabil în apă
- Nanofoile de grafen mono- și bi-strat pot fi produse rapid prin exfoliere cu ultrasunete cu randament ridicat și la costuri reduse.
- Grafenul exfoliat ultrasonically poate fi funcționalizat cu biopolimeri pentru a obține grafen dispersabil în apă.
- Prin cavitație cu ultrasunete, grafenul sintetizat poate fi prelucrat în continuare într-o dispersie stabilă pe bază de apă.
Exfolierea cu ultrasunete a grafenului de înaltă calitate
Ultrasonication este o metodă fiabilă de a produce straturi de grafen (grafen mono-, bi- și cu câteva straturi) din fulgi sau particule de grafit. În timp ce alte tehnici comune de exfoliere, ar fi morile cu bile și role sau mixerele cu forfecare ridicată sunt legate de calitatea scăzută și de utilizarea reactivilor și solvenților agresivi, metoda de exfoliere cu ultrasunete convinge prin producția sa de înaltă calitate, capacitatea ridicată a procesului și condițiile ușoare de procesare.
Cavitația cu ultrasunete creează forțe intense de forfecare, care separă straturile de grafit stivuite în mono-, bi- și câteva straturi de grafen fără defecte.
Foi de grafen dispersabile în apă prin sonicare
Ultrasonication este o procedură eficientă cu rezultate repetabile pentru a dezlega carbonnanotubes în apă sau solvenți organici. [/subtitrare] În condiții normale, grafenul este greu dispersabil în apă și formează agregate și aglomerate atunci când este dispersat în mediu apos. Deoarece sistemele apoase au avantaje semnificative de a fi ieftine, netoxice, ecologice, sistemele de grafen pe bază de apă sunt extrem de atractive pentru producătorii de grafen și pentru industria din aval.
Pentru a obține nanofoi de grafen dispersabile în apă, grafenul exfoliat ultrasonically este modificat cu polizaharide / biopolimeri, ar fi pullulan, chitosan, alginat, gelatină sau gumă arabică.
- grafen de înaltă calitate
- randament ridicat
- dispersie pe bază de apă
- concentrație ridicată
- eficiență ridicată
- proces rapid
- cost redus
- randament ridicat
- ecologic
Protocol de exfoliere directă a grafitului folosind ultrasunete
Pullulanul neionic și alginatul anionic (1,0 g) au fost dizolvate separat în 20 ml apă distilată, în timp ce chitosanul cationic (0,4 g) a fost dizolvat în 20 ml apă distilată cu acid acetic 1 % în greutate. Pulberea de grafit a fost dispersată în soluțiile apoase de biopolimer și tratată folosind un ultrasonicator de tip sondă UP200S (putere maximă 200 W, frecvență 24 kHz, Hielscher Ultrasonics, Germania) echipat cu un sonotrod de titan (micro tip S3, diametrul vârfului 3 mm, amplitudine maximă 210μm, densitatea puterii acustice sau intensitatea suprafeței 460 W cm-2) în următoarele condiții: ciclu 0,5 și amplitudine 50%, pentru o perioadă de 10, 20, 30 și, respectiv, 60 de minute. Cele mai bune rezultate au fost obținute la 30min sonicare. Sonicare a fost aplicat la puterea de 16.25 W timp de 30 de minute, cu un consum de energie (producția de energie pe unitatea de volum) de 731 Ws ml-1.
Ulterior, amestecurile au fost centrifugate la 1500 rpm timp de 60 min pentru a îndepărta particulele de grafit neexfoliate și apoi spălate de 5 ori și din nou centrifugate la 5000 rpm timp de 20 min pentru a îndepărta excesul de biopolimeri. Soluțiile de culoare gri închis rezultate au fost uscate în vid la 40 ° C până când nu s-au pierdut masa. Pulberile polimer-grafen rezultate au fost redispersate în apă (1 mg ml-1 pentru pullulan și chitosan; 0,18 mg ml-1 pentru alginat) pentru caracterizare. Foi de grafen obținute prin pullulan-, alginat-, și chitosan-asistate ultrasonication au fost indicate ca pull-G, alg-G, și chit-G, respectiv.
Dintre cele trei sisteme, pullulanul și chitosanul au fost mai eficiente în exfolierea grafitului decât alginatul. Această metodă a produs foi de grafen exfoliate mono-, bi- și cu puține straturi, cu defecte laterale (margini) scăzute. Adsorbția biopolimerilor pe suprafața grafenului asigură o stabilitate de lungă durată (mai mult de 6 luni) a dispersiei apoase.
(cf. Unalan et al. 2015)

O secvență de mare viteză (de la a la f) de cadre ilustrând exfolierea sono-mecanică a unui fulg de grafit în apă folosind UP200S, un ultrasonicator de 200W cu sonotrodă de 3 mm. Săgețile arată locul de despicare (exfoliere) cu bule de cavitație care penetrează despicarea.
(studiu și imagini: © Tyurnina et al. 2020
Ultrasonicators pentru exfolierea grafenului
Hielscher procesoare cu ultrasunete de mare putere sunt utilizate în întreaga lume pentru exfolierea și dispersia cu succes a grafitului și grafenului. Dispersoarele noastre cu ultrasunete sunt disponibile de la laborator și banc-top până la unități complete de producție industrială. Pe lângă robustețe, funcționare 24/7 și întreținere redusă, ultrasonicators Hielscher convinge prin ușurința ridicată de procesare și scalabilitate liniară.
Procesele pot fi ușor testate și optimizate în laborator. Ulterior, toate rezultatele procesului pot fi scalate complet liniar la nivelul producției comerciale. Acest lucru face sonicare o metodă de producție eficace și eficientă pentru volumul mare de foi de grafen de înaltă calitate.
Hielscher Ultrasonics procesoare industriale cu ultrasunete pot livra amplitudini foarte mari. Amplitudinile de până la 200μm pot fi ușor rulate continuu în funcționare 24/7. Pentru amplitudini chiar mai mari, sonotrodes cu ultrasunete personalizate sunt disponibile. Reactoarele cu ultrasunete potrivite asigură capacitatea de producție în masă fiabilă și sigură a nanofoilor de grafen de înaltă calitate, precum și dispersii stabile de nanofoi.
Robustețea echipamentului cu ultrasunete Hielscher permite funcționarea 24/7 la grele și în medii solicitante.
Tabelul de mai jos vă oferă o indicație a capacității aproximative de procesare a ultrasonicators noastre:
Volumul lotului | Debitul | Dispozitive recomandate |
---|---|---|
10 până la 2000 ml | 20 până la 400 ml / min | UP200Ht, UP400St |
0.1 până la 20L | 00.2 până la 4L / min | UIP2000hdT |
10 până la 100L | 2 până la 10L / min | UIP4000 |
n.a. | 10 până la 100L / min | UIP16000 |
n.a. | mai mare | grup de UIP16000 |
Contactează-ne! / Întreabă-ne!
Fapte care merită știute
grafen
Grafenul este un monostrat de sp2-atomi de carbon legați. Grafenul oferă caracteristici unice ale materialului, cum ar fi o suprafață specifică extraordinar de mare (2620 m2g-1), proprietăți mecanice superioare cu un modul Young de 1 TPa și o rezistență intrinsecă de 130 GPa, o conductivitate electronică extrem de ridicată (mobilitate electronică la temperatura camerei de 2,5 × 105 cm2 V-1s-1), conductivitate termică foarte ridicată (peste 3000 W m K-1), pentru a numi cele mai importante proprietăți. Datorită proprietăților sale superioare ale materialului, grafenul este puternic utilizat în dezvoltarea și producția de baterii de înaltă performanță, celule de combustibil, celule solare, supercondensatoare, depozite de hidrogen, scuturi electromagnetice și dispozitive electronice. În plus, grafenul este încorporat în multe nanocompozite și materiale compozite ca aditiv de armare, de exemplu în polimeri, ceramică și matrici metalice. Datorită conductivității sale ridicate, grafenul este o componentă importantă a vopselelor și cernelurilor conductive.
Rapid și sigur Pregătirea cu ultrasunete a grafenului fără defecte La volume mari la costuri reduse permite extinderea aplicațiilor grafenului la tot mai multe industrii.
Literatură/Referințe
- FactSheet: Ultrasonic Graphene Exfoliation and Dispersion – Hielscher Ultrasonics – english version
- FactSheet: Exfoliación y Dispersión de Grafeno por Ultrasonidos – Hielscher Ultrasonics – spanish version
- Adam K. Budniak, Niall A. Killilea, Szymon J. Zelewski, Mykhailo Sytnyk, Yaron Kauffmann, Yaron Amouyal, Robert Kudrawiec, Wolfgang Heiss, Efrat Lifshitz (2020): Exfoliated CrPS4 with Promising Photoconductivity. Small Vol.16, Issue1. January 9, 2020.
- 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.
- 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.
- del Bosque, A.; Sánchez-Romate, X.F.; Sánchez, M.; Ureña, A. (2022): Easy-Scalable Flexible Sensors Made of Carbon Nanotube-Doped Polydimethylsiloxane: Analysis of Manufacturing Conditions and Proof of Concept. Sensors 2022, 22, 5147.

Hielscher Ultrasonics produce omogenizatoare cu ultrasunete de înaltă performanță de la Laborator spre dimensiunea industrială.