• Mono- și nanosheets grafen bi-strat poate fi produs rapid prin exfolierea ultrasonic cu randament ridicat și la costuri reduse.
• Ultrasunetelor grafen exfoliat poate fi funcționalizată cu biopolimeri, în scopul de a obține grafen dispersabile în apă.
• Prin cavitatie cu ultrasunete, grafen sintetizat poate fi prelucrată în continuare într-o dispersie pe bază de apă stabilă.

Cu ultrasunete Exfolierea de înaltă calitate Grafenul

Ultrasonication este o metodă sigură de a produce straturi grafen (mono-, bi- și câteva straturi grafenice) din fulgi de grafit sau particule. În timp ce alte tehnici comune, cum ar fi exfolierea ball- și rola mori sau mixerele sunt legate de calitate scăzută și utilizarea reactivilor agresivi și solvenți, metoda exfolierea ultrasonic convinge de ieșire de înaltă calitate, capacitatea sa de proces ridicate și în condiții de procesare blânde.
Cavitație 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. [/legendă] În condiții normale, grafenul este greu dispersabil în apă și formează agregate și aglomerări atunci când este dispersat în mediu apos. Deoarece sistemele apoase au avantaje semnificative de a fi ieftine, non-toxice, ecologice, pe bază de apă sisteme de grafen sunt extrem de atractive pentru producătorii de grafen și industria din aval.
Pentru a obține nanosheets grafen dispersabil în apă, grafen ultrasunetelor exfoliate este modificat cu polizaharide / biopolimeri cum ar fi pullulan, chitosan, alginat, gelatină sau gumă arabică.

Protocolul de exfoliere directă a grafitului folosind Ultrasonics

Pullulanul neionic și alginatul anionic (1,0 g) au fost dizolvate separat în 20 ml de apă distilată, în timp ce chitosanul cationic (0,4 g) a fost dizolvat în 20 ml de apă distilată cu acid acetic 1 wt%. Pulberea de grafit a fost dispersată în soluțiile apoase de biopolimer și tratată cu ajutorul unui ultrasonicator de tip sondă UP200S (putere maximă 200 W, frecvență 24 kHz, Hielscher Ultrasonics, Germania) echipat cu un sonotrod de titan (vârful micro 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 min. Cele mai bune rezultate au fost obținute la sonicare 30min. Sonicare a fost aplicat la puterea de 16.25 W timp de 30 de minute, cu consumul 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 de minute pentru a îndepărta particulele de grafit neexfoliate și apoi spălate de 5 ori și din nou centrifugate la 5000 rpm timp de 20 de minute pentru a elimina excesul de biopolimeri. Soluțiile de gri închis rezultate au fost uscate în vid la 40 ° C până când nu s-a pierdut în masă. Pulberile polimer-grafen rezultate au fost redipersate 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-asistată ultrasonication au fost indicate ca pull-G, alg-G, și chit-G, respectiv.
Dintre cele trei sisteme, pullulan și chitosanul au fost mai eficiente în exfolierea grafitului decât alginat. Această metodă a dat mono- exfoliate, bi- și foi de grafen câteva straturi cu (muchii) defecte numai joase laterale. Adsorbția biopolimeri pe suprafața grafena conferă 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 care ilustrează exfolierea sono-mecanică a unui fulg de grafit în apă folosind UP200S, un ultrasonicator de 200W cu sonotrode de 3 mm. Săgețile arată locul despicării (exfolierea) 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 cu succes și dispersia de grafit și grafen. Dispersoarele noastre cu ultrasunete sunt disponibile de la laborator și banc-top până la unități de producție industriale complete. Pe lângă robustețe, funcționare 24/7 și întreținere redusă, ultrasonicators Hielscher convinge prin ușurința ridicată de prelucrare și scalabilitate liniară.
Procesele pot fi ușor testate și optimizate în laborator. Ulterior, toate rezultatele de proces pot fi scalate complet liniar la nivelul producției comerciale. Acest lucru face ca sonicare o metodă eficientă și eficientă de producție pentru volumul mare de foi de grafen de înaltă calitate.
Hielscher Ultrasonics procesoare cu ultrasunete industriale pot livra amplitudini foarte mari. Amplitudinile de până la 200μm pot fi rulate cu ușurință continuu în funcționare 24/7. Pentru amplitudini chiar mai mari, sonotrodes cu ultrasunete personalizate sunt disponibile. Potrivirea reactoarelor cu ultrasunete asigură capacitatea de producție în masă fiabilă și sigură a nanosheets grafen de înaltă calitate, precum și dispersii stabile nanosheet.

Robustetea echipamentelor cu ultrasunete Hielscher permite pentru funcționare 24/7 la grele și în medii solicitante.
Tabelul de mai jos vă oferă o indicație a capacității de procesare aproximativă a ultrasonicators noastre: