Синтез и диспергирование графеновых нанопластинок с помощью зондовой ультразвука

Графеновые нанопластинки (ГНП) могут быть синтезированы и диспергированы с высокой эффективностью и надежностью с помощью ультразвуковых аппаратов. Высокоинтенсивное ультразвуковое исследование используется для отшелушивания графита и получения малослойного графена, часто называемого графеновыми нанопластинками. Ультразвуковая обработка также превосходна в достижении превосходного распределения графеновых нанопластинок как в низковязких, так и в высоковязких суспензиях.

Обработка графеновых нанопластинок – Превосходные результаты с ультразвуковой обработкой

Для обработки графеновых нанопластинок наиболее эффективным, надежным и простым в использовании инструментом являются ультразвуковые аппараты зондового типа. Поскольку ультразвук может быть применен для синтеза, диспергирования и функционализации графеновых нанопластинок, ультразвуковые аппараты используются для многочисленных применений, связанных с графеном:

• Отшелушивание и синтез Ультразвуковые аппараты зондового типа используются для отслаивания графита в несколько слоев графена или графеновых нанопластинок. Высокоинтенсивное ультразвуковое воздействие разрушает межслойные силы и разрушает графит на более мелкие отдельные листы графена.
• Дисперсия: Достижение равномерной диспергации графеновых нанопластинок в жидкой среде имеет решающее значение для всех приложений, связанных с графеном. Ультразвуковые аппараты зондового типа могут равномерно распределять нанопластинки по всей жидкости, предотвращая агломерацию и обеспечивая стабильную суспензию.
• Функционализация: Ультразвуковая обработка способствует функционализации графеновых нанопластинок, способствуя прикреплению функциональных групп или молекул к их поверхности. Такая функционализация повышает их совместимость с определенными полимерами или материалами.

Синтез графеновых нанотромбоцитов с помощью ультразвуковой обработки

Графеновые нанопластинки могут быть синтезированы с помощью ультразвукового отшелушивания графита. Поэтому графитовая суспензия обрабатывается ультразвуком с помощью ультразвукового гомогенизатора зондового типа. Эта методика была протестирована при очень низких (например, 4 мас.% или ниже) или высоких концентрациях твердых веществ (например, 10 мас.% или выше).
 
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.

Получены изображения нанолистов графена с помощью просвечивающего электронного микроскопа с высоким разрешением
с помощью ультразвукового диспергирования водной фазы и метода Хаммера.
(Исследование и графика: Ганем и Рехим, 2018)

В чем разница между графеновыми листами и нанопластинками?

Графеновые листы и графеновые нанопластинки представляют собой наноматериалы, состоящие из графена, который представляет собой один слой атомов углерода, расположенных в гексагональной решетке. Иногда графеновые листы и графеновые нанопластинки используются как взаимозаменяемые термины. Но с научной точки зрения, между этими графеновыми наноматериалами есть несколько различий: основное различие между графеновыми листами и графеновыми нанопластинками заключается в их структуре и толщине. Графеновые листы состоят из одного слоя атомов углерода и являются исключительно тонкими, в то время как графеновые нанопластинки толще и состоят из нескольких уложенных слоев графена. Эти структурные различия могут повлиять на их свойства и пригодность для конкретных применений. Использование ультразвуковых аппаратов зондового типа является высокоэффективным и действенным методом синтеза, диспергирования и функционализации однослойных графеновых листов, а также многослойных графеновых нанопластин.

Графическая визуализация ультразвукового синтеза графеновых нанопластинок с помощью ультразвукового аппарата UP100H
(Исследование и графика: Ганем и Рехим, 2018)

Диспергирование графеновых нанопластинок с помощью ультразвуковой обработки

Равномерное диспергирование графеновых нанопластинок (ГНП) имеет решающее значение в различных областях применения, поскольку оно напрямую влияет на свойства и эксплуатационные характеристики получаемых материалов или продуктов. Поэтому ультразвуковые аппараты устанавливаются для дисперсий графеновых нанопластинок в различных отраслях промышленности. Наиболее яркими примерами использования силового ультразвука являются следующие отрасли:
 

• Нанокомпозиты: Графеновые нанопластинки могут быть включены в различные нанокомпозитные материалы, такие как полимеры, для улучшения их механических, электрических и термических свойств. Ультразвуковые аппараты зондового типа помогают равномерно диспергировать нанопластинки в полимерной матрице, что приводит к улучшению характеристик материала.
• Электроды и батарейки: Графеновые нанопластинки используются при разработке высокоэффективных электродов для аккумуляторов и суперконденсаторов. Ультразвуковая обработка помогает создавать хорошо диспергированные электродные материалы на основе графена с увеличенной площадью поверхности, что улучшает возможности хранения энергии.
• Катализ: Ультразвуковая обработка может быть использована для получения каталитических материалов на основе графеновых нанопластинок. Равномерное диспергирование каталитических наночастиц на поверхности графена может усиливать каталитическую активность в различных реакциях.
• Датчики: Графеновые нанопластинки могут быть использованы при изготовлении датчиков для различных применений, включая газовое зондирование, биозондирование и мониторинг окружающей среды. Ультразвуковая обработка обеспечивает равномерное распределение нанопластинок в материалах сенсоров, что приводит к повышению чувствительности и производительности.
• Покрытия и пленки: Ультразвуковые аппараты зондового типа используются для подготовки покрытий и пленок на основе графеновых нанопластинок для применения в электронике, аэрокосмической промышленности и защитных покрытиях. Равномерная дисперсия и надлежащая адгезия к основаниям имеют решающее значение для этих применений.
• Биомедицинское применение: В биомедицинских приложениях графеновые нанотромбоциты могут использоваться для доставки лекарств, визуализации и тканевой инженерии. Ультразвуковая обработка помогает в получении наночастиц на основе графена и композитов, используемых в этих приложениях.

СЭМ-изображения графеновых нанопластинок в точках (b) X3000 и (c) X8000
(Исследование и изображения: ©Ализаде и др., 2018)

Научно доказанные результаты ультразвуковых дисперсий графеновых нанопластинок

Ученые использовали ультразвуковые аппараты Хильшера для синтеза и диспергирования графеновых нанопластинок в многочисленных исследованиях и активно проверяли эффекты ультразвука. Ниже вы можете найти несколько примеров успешного смешивания графеновых нанопластинок с различными смесями, такими как водные суспензии, экспозиссионные смолы или раствор.
 
Распространенной процедурой надежного, быстрого и равномерного диспергирования графеновых нанопластинок является следующая процедура:
Для диспергирования графеновые нанопластинки обрабатывали ультразвуком в чистом ацетоне с помощью ультразвукового смесителя Hielscher UP400S в течение почти одного часа, чтобы предотвратить агломерацию графеновых листов. Ацетон был полностью удален путем выпаривания. Затем графеновые нанопластинки добавляли в концентрации 1 мас.% от эпоксидной системы и обрабатывали ультразвуком в эпоксидной смоле при мощности 90 Вт в течение 15 минут.
(ср. Cakir et al., 2016)
 
В другом исследовании изучается армирование наножидкостей на основе ионных жидкостей (ионаножидкостей) путем добавления графеновых нанопластинок. Для превосходной дисперсии смесь графеновых нанопластинок, ионной жидкости и додецилбензолсульфоната натрия гомогенизировали с помощью ультразвукового аппарата Хильшера зондового типа UP200S в течение примерно 90 минут.
(ср. Ализаде и др., 2018)

 
Tragazikis et al. (2019) сообщают об эффективном включении графеновых нанопластин в раствор. Поэтому водные графеновые суспензии получали путем добавления нанопластинок – с массами, вписанными в желаемое целевое содержание в полученных материалах – в смеси обычной водопроводной воды и пластификатора и последующего магнитного перемешивания в течение 2 мин. Суспензии гомогенизировали ультразвуком в течение 90 минут при комнатной температуре с помощью аппарата Hielscher UP400S (Hielscher Ultrasonics GmbH), оснащенного 22-миллиметровым сонотродом, обеспечивающим производительность 4500 Дж/мин на частоте 24 кГц. В результате тщательного исследования влияния параметров ультразвуковой обработки на качество суспензии было установлено оптимальное сочетание скорости энергии и длительности ультразвука.
(ср. Трагазикис и др., 2019)
 
Zainal et al. (2018) утверждают в своем исследовании, что надлежащий метод диспергирования, такой как ультразвуковая технология, гарантирует, что наноматериалы, такие как графеновые нанопластины, могут улучшать свойства заполняющих материалов. Это связано с тем, что дисперсия является одним из важнейших факторов для производства высококачественных нанокомпозитов, таких как эпоксидный раствор.

Высокопроизводительные ультразвуковые аппараты для обработки графеновых нанопластинок

Hielscher Ultrasonics является лидером на рынке, когда речь идет о высокопроизводительных ультразвуковых аппаратах для обработки наноматериалов. Ультразвуковые аппараты зондового типа Hielscher используются во всем мире в лабораториях и промышленных учреждениях для различных применений, включая обработку графеновых нанопластинок.
Современные технологии, немецкое мастерство и инженерное дело, а также многолетний технический опыт делают Hielscher Ultrasonics вашим предпочтительным партнером для успешного применения ультразвука.

Проектирование, производство и консалтинг – Качество «Сделано в Германии»

Ультразвуковые аппараты Hielscher хорошо известны своими высочайшими стандартами качества и дизайна. Надежность и простота в эксплуатации позволяют без проблем интегрировать наши ультразвуковые аппараты в промышленные объекты. Ультразвуковые аппараты Hielscher легко справляются с суровыми условиями и требовательными условиями окружающей среды.

Hielscher Ultrasonics является компанией, сертифицированной по стандарту ISO, и уделяет особое внимание высокопроизводительным ультразвуковым аппаратам, отличающимся самыми современными технологиями и удобством в использовании. Конечно, ультразвуковые аппараты Hielscher соответствуют требованиям CE и соответствуют требованиям UL, CSA и RoHs.

В таблице ниже приведена примерная производительность обработки наших ультразвуковых аппаратов: