Grafennanoplättar syntetiseras och dispergeras via sond-ultraljudsbehandling
Grafennanoplättar (GNP) kan syntetiseras och dispergeras med hög effektivitet och tillförlitlighet med hjälp av ultraljudsapparater. Högintensiv ultraljudsbehandling används för att exfoliera grafit och erhålla få lager grafen, ofta kallad grafen nanoplättar. Ultraljudsbehandling utmärker sig också för att uppnå utmärkt grafen nanoplättar distribution i både låga och mycket viskösa suspensioner.
Bearbetning av nanoplättar av grafen – Överlägsna resultat med ultraljudsbehandling
För bearbetning av grafennanoplättar är sonsonatorer av sondtyp det mest effektiva, pålitliga och lättanvända verktyget. Eftersom ultraljud kan användas för syntes, dispersion och funktionalisering av grafen nanoplättar, används sonikatorer för många grafenrelaterade tillämpningar:
- Exfoliering och syntes Sond-typ sonikatorer används för att exfoliera grafit till fåskikts grafen eller grafen nanoplättar. Den högintensiva ultraljudsbehandlingen stör mellanskiktets krafter och bryter ner grafiten i mindre, enskilda ark av grafen.
- Spridning: Att uppnå en jämn dispersion av grafennanoplättar i ett flytande medium är avgörande för alla grafenrelaterade tillämpningar. Sond-typ sonikatorer kan sprida nanoplättarna jämnt i vätskan, förhindra agglomerering och säkerställa en stabil suspension.
- Funktionalisering: Ultraljudsbehandling underlättar funktionaliseringen av grafen nanoplättar genom att främja fästningen av funktionella grupper eller molekyler till deras ytor. Denna funktionalisering förbättrar deras kompatibilitet med specifika polymerer eller material.
Syntes av grafennanoplattor via ultraljudsbehandling
Grafennanoplättar kan syntetiseras genom ultraljudsassisterad grafitexfoliering. Därför är en grafitsuspension sonikerad med hjälp av en ultraljudshomogenisator av sondtyp. Denna procedur har testats med mycket låga (t.ex. 4 viktprocent eller lägre) till höga fasta koncentrationer (t.ex. 10 viktprocent eller högre).
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.

Högupplösta transmissionselektronmikroskopbilder av grafennanoark erhållna
via ultraljudsassisterad vattenfasdispersion och Hummer-metoden.
(Studie och grafik: Ghanem och Rehim, 2018)
Vad är skillnaden mellan grafenark och nanoplättar?
Grafenark och grafennanoplättar är båda nanomaterial som består av grafen, som är ett enda lager av kolatomer arrangerade i ett hexagonalt gitter. Ibland används grafenark och grafennanoplättar som utbytbara termer. Men vetenskapligt sett finns det några skillnader mellan dessa grafennanomaterial: Den primära skillnaden mellan grafenplattor och grafennanoplättar ligger i deras struktur och tjocklek. Grafenark består av ett enda lager av kolatomer och är exceptionellt tunna, medan grafennanoplättar är tjockare och består av flera staplade grafenlager. Dessa strukturella skillnader kan påverka deras egenskaper och lämplighet för specifika applikationer. Användningen av sond-typ sonikatorer är en mycket effektiv och effektiv teknik för att syntetisera, dispergera, och funktionalisera grafen enskikts grafenark samt fåskikts staplade grafen nanoplättar.

Sond-typ sonchester UP400St för framställning av dispersioner av grafennanoplättar
Dispersion av grafen nanoplättar med hjälp av ultraljudsbehandling
Den enhetliga dispersionen av grafennanoplättar (GNP) är avgörande i olika tillämpningar eftersom den direkt påverkar egenskaperna och prestandan hos de resulterande materialen eller produkterna. Därför installeras sonikatorer för dispersioner av grafennanoplattor i olika industrier. Följande branscher är framträdande exempel på användning av power-ultraljud:
- Nano-kompositer: Grafennanoplättar kan inkorporeras i olika nanokompositmaterial, såsom polymerer, för att förbättra deras mekaniska, elektriska och termiska egenskaper. Sond-typ sonikatorer hjälper till att jämnt fördela nanoplättarna i polymermatrisen, vilket resulterar i förbättrad materialprestanda.
- Elektroder och batterier: Grafennanoplättar används i utvecklingen av högpresterande elektroder för batterier och superkondensatorer. Ultraljudsbehandling hjälper till att skapa väl dispergerade grafenbaserade elektrodmaterial med ökad yta, vilket förbättrar energilagringsförmågan.
- Katalys: Ultraljudsbehandling kan användas för att framställa katalytiska material baserade på grafen nanoplättar. Den enhetliga dispersionen av katalytiska nanopartiklar på grafenytan kan öka den katalytiska aktiviteten i olika reaktioner.
- Sensorer: Grafennanoplättar kan användas vid tillverkning av sensorer för olika tillämpningar, inklusive gasavkänning, bioavkänning och miljöövervakning. Ultraljudsbehandling säkerställer homogen fördelning av nanoplättar i sensormaterial, vilket leder till förbättrad känslighet och prestanda.
- Beläggningar och filmer: Sond-typ sonikatorer används för att framställa grafennanoplättbaserade beläggningar och filmer för applikationer inom elektronik, flyg och skyddande beläggningar. Jämn dispersion och korrekt vidhäftning till underlag är avgörande för dessa tillämpningar.
- Biomedicinska tillämpningar: I biomedicinska tillämpningar kan grafennanoplättar användas för läkemedelstillförsel, avbildning och vävnadsteknik. Ultraljudsbehandling hjälper till vid framställning av grafenbaserade nanopartiklar och kompositer som används i dessa applikationer.
Vetenskapligt bevisade resultat för ultraljudsgrafennanoplättdispersioner
Forskare har använt Hielscher sonikatorer för syntes och dispersion av grafen nanoplättar i många studier och testade effekterna av ultraljud kraftigt. Nedan hittar du några exempel på hur man framgångsrikt blandar grafennanoplättar i olika blandningar, t.ex. vattenhaltiga slurry, expoyhartser eller murbruk.
En vanlig procedur för tillförlitlig, snabb och enhetlig dispersion av grafennanoplättar är följande procedur:
För dispersion, grafen nanoplättar var sonikerad i ren aceton med hjälp av Hielscher ultraljud mixer UP400S i nästan en timme för att förhindra en agglomerering av grafenark. Aceton avlägsnades helt genom avdunstning. Därefter tillsattes grafennanoplättarna vid 1 viktprocent av epoxisystemet och sonikerades i epoxihartset vid 90W i 15 minuter.
(jfr Cakir et al., 2016)
En annan studie undersöker förstärkningen av joniska vätskebaserade nanovätskor (jonanofluider) genom att tillsätta grafennanoplättar. För överlägsen dispersion, blandningen av grafen nanoplättar, jonisk vätska och natriumdodecyl bensensulfonat homogeniserades med hjälp av Hielscher sond-typ sond sond sonika UP200S i cirka 90 min.
(jfr Alizadeh et al., 2018)
Tragazikis et al. (2019) rapporterar den effektiva inkorporeringen av grafennanoplättar i murbruk. Därför producerades vattenhaltiga grafensuspensioner genom tillsats av nanoplättar – vid vikter som anges av de önskvärda målinnehållet i de resulterande materialen – i blandningar av vanligt kranvatten och mjukgörare och efterföljande magnetisk omrörning i 2 minuter. Suspensionerna homogeniserades genom ultraljud i 90 minuter vid rumstemperatur, med hjälp av en Hielscher UP400S-enhet (Hielscher Ultrasonics GmbH) utrustad med en 22mm-sonotrode som levererar en effektgenomströmning på 4500 J/min vid en frekvens av 24 kHz. Den specifika kombinationen av energihastighet och ultraljudsbehandling varaktighet fastställdes som optimal efter en noggrann undersökning av effekten av ultraljud parametrar för suspension kvalitet.
(jfr Tragazikis et al., 2019)
Zainal et al. (2018) uppger i sin forskning att en korrekt dispersionsteknik som ultraljudsbehandling säkerställer att nanomaterial som grafennanoplatteleter kan förbättra egenskaperna hos fyllnadsmaterial. Detta beror på att dispersion är en av de viktigaste faktorerna för produktion av högkvalitativa nanokompositer som epoxiinjekteringsbruk.

Prov av ren BMIM-PF6 (vänster) och ultraljudsberedd jonanofluid vid 2% viktprocent (höger).
(Studie och bilder: ©Alizadeh et al., 2018)
Högpresterande ultraljudstekniker för bearbetning av grafennanoplattor
Hielscher Ultrasonics är marknadsledande när det gäller högpresterande ultraljudsapparater för bearbetning av nanomaterial. Hielscher sond-typ sonikatorer används över hela världen i laboratorier och industriella miljöer för olika applikationer, inklusive bearbetning av grafen nanoplättar.
Toppmodern teknik, tyskt hantverk och ingenjörskonst samt lång tid teknisk erfarenhet gör Hielscher Ultrasonics till din föredragna partner för framgångsrik ultraljudsapplikation.
- Hög effektivitet
- Toppmodern teknik
- tillförlitlighet & robusthet
- Justerbar, exakt processtyrning
- batch & Inline
- för vilken volym som helst
- Intelligent programvara
- Smarta funktioner (t.ex. programmerbar, dataprotokoll, fjärrkontroll)
- Enkel och säker att använda
- Lågt underhåll
- CIP (clean-in-place)
Design, tillverkning och rådgivning – Kvalitet tillverkad i Tyskland
Hielscher ultraljudsapparater är välkända för sina högsta kvalitets- och designstandarder. Robusthet och enkel drift möjliggör en smidig integration av våra ultraljudsapparater i industriella anläggningar. Tuffa förhållanden och krävande miljöer hanteras enkelt av Hielscher ultraljudsapparater.
Hielscher Ultrasonics är ett ISO-certifierat företag och lägger särskild vikt vid högpresterande ultraljudsapparater med den senaste tekniken och användarvänligheten. Naturligtvis är Hielscher ultraljudsapparater CE-kompatibla och uppfyller kraven i UL, CSA och RoHs.
Tabellen nedan ger dig en indikation på den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater:
Batchvolym | Flöde | Rekommenderade enheter |
---|---|---|
0.5 till 1,5 ml | N.A. | VialTweeter | 1 till 500 ml | 10 till 200 ml/min | UP100H |
10 till 2000 ml | 20 till 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
0.1 till 20L | 0.2 till 4L/min | UIP2000hdT |
10 till 100L | 2 till 10L/min | UIP4000hdT |
15 till 150L | 3 till 15 l/min | UIP6000hdT |
N.A. | 10 till 100 L/min | UIP16000 |
N.A. | Större | kluster av UIP16000 |
Kontakta oss! / Fråga oss!
Litteratur / Referenser
- Ghanem, A.F.; Abdel Rehim, M.H. (2018): Assisted Tip Sonication Approach for Graphene Synthesis in Aqueous Dispersion. Biomedicines 6, 63; 2018.
- Zainal, Nurfarahin; Arifin, Hanis; Zardasti, Libriati; Yahaya, Nordin; Lim, Kar Sing; Lai, Jian; Noor, Norhazilan (2018): Tensile Properties of Epoxy Grout Incorporating Graphene Nanoplatelets for Pipeline Repair. MATEC Web of Conferences, 2018.
- Ferit Cakir, Habib Uysal, Volkan Acar (2016): Experimental modal analysis of masonry arches strengthened with graphene nanoplatelets reinforced prepreg composites. Measurement, Volume 90, 2016. 233-241.
- Jalal Alizadeh, Mostafa Keshavarz Moraveji (2018): An experimental evaluation on thermophysical properties of functionalized graphene nanoplatelets ionanofluids. International Communications in Heat and Mass Transfer, Volume 98, 2018. 31-40.
- Ilias Κ. Tragazikis, Konstantinos G. Dassios, Panagiota T. Dalla, Dimitrios A. Exarchos (2019): Theodore E. Matikas (2019): Acoustic emission investigation of the effect of graphene on the fracture behavior of cement mortars. Engineering Fracture Mechanics, Volume 210, 2019. 444-451.
- Matta, S.; Rizzi, L.G.; Frache, A. (2021): PET Foams Surface Treated with Graphene Nanoplatelets: Evaluation of Thermal Resistance and Flame Retardancy. Polymers 2021, 13, 501.
Fakta som är värda att veta
Grafenark vs grafennanoplättar
Både grafenark och grafennanoplättar är nanostrukturer som härrör från grafit. Tabellen nedan visar de mest framträdande skillnaderna mellan grafenark och grafennanoplättar.
Differentiering | Grafen-ark | Nanoplättar av grafen |
---|---|---|
Struktur | Grafenark är vanligtvis enkla lager av grafen med en tvådimensionell struktur. De kan vara mycket stora och kontinuerliga och sträcka sig över makroskopiska områden. | Grafennanoplättar är mindre och tjockare jämfört med enskilda grafenark. De består av flera lager av grafen staplade på varandra och bildar trombocytliknande strukturer. Antalet lager i en nanoplätt, men det är vanligtvis i intervallet några till flera dussin lager |
Tjocklek | Dessa är enskikts grafenstrukturer, så de är extremt tunna, vanligtvis bara en atom tjocka. | Dessa är tjockare än enskikts grafenark eftersom de består av flera grafenlager staplade tillsammans. Tjockleken på grafennanoplättar beror på antalet lager de innehåller. |
Egenskaper | Enskikts grafenark har exceptionella egenskaper, såsom hög elektrisk ledningsförmåga, värmeledningsförmåga och mekanisk hållfasthet. De uppvisar också unika elektroniska egenskaper, som kvantinneslutningseffekter. | Grafennanoplättar behåller några av de utmärkta egenskaperna hos grafen, såsom hög elektrisk och termisk ledningsförmåga, men de kanske inte är lika exceptionella som enskiktsgrafen i dessa aspekter på grund av närvaron av flera lager. De erbjuder dock fortfarande fördelar jämfört med traditionella kolmaterial. |
Program | Enskiktsgrafenark har ett brett spektrum av potentiella tillämpningar, bland annat inom elektronik, nanokompositer, sensorer med mera. De används ofta för sina exceptionella elektroniska egenskaper. | Grafennanoplättar används i olika tillämpningar, såsom förstärkningsmaterial i kompositer, smörjmedel, energilagringsenheter och som tillsatser för att förbättra egenskaperna hos andra material. Deras tjockare struktur gör dem lättare att dispergera i vissa matriser jämfört med enskiktsgrafen. |

Hielscher Ultrasonics tillverkar högpresterande ultraljudshomogenisatorer från labb till industriell storlek.