Grafennanoplattor syntetiserade och dispergerade genom ultraljudsbehandling med sond

Grafennanoplattor (GNP) kan syntetiseras och dispergeras med hög effektivitet och tillförlitlighet med hjälp av ultraljudsapparater. Högintensiv ultraljudsbehandling används för att exfoliera grafit och framställa grafen med få lager, ofta kallat grafennanoplattor. Ultraljudsbehandling är också särskilt bra på att åstadkomma en utmärkt fördelning av grafennanoplattor i både lågviskösa och högviskösa suspensioner.

Bearbetning av grafennanoplattor – överlägsna resultat med ultraljudsbehandling

För bearbetning av grafennanoplattor är ultraljudsapparater av sondtyp det mest effektiva, tillförlitliga och lättanvända verktyget. Eftersom ultraljudsbehandling kan användas för syntes, dispergering och funktionalisering av grafennanoplattor används ultraljudsapparater för många grafenrelaterade tillämpningar:

• Exfoliering och syntes Ultraljudsapparater av sondtyp används för att exfoliera grafit till grafen med få lager eller grafennanoplattor. Den högintensiva ultraljudsbehandlingen övervinner krafterna mellan lagren och bryter ned grafiten till mindre, enskilda grafenark.
• Dispergering: Att uppnå en jämn dispergering av grafennanoplattor i ett flytande medium är avgörande för alla grafenrelaterade tillämpningar. Ultraljudsapparater av sondtyp kan dispergera nanoplattorna jämnt i hela vätskan, vilket förhindrar agglomerering och säkerställer en stabil suspension.
• Funktionalisering: Ultraljudsbehandling underlättar funktionaliseringen av grafennanoplattor genom att främja bindningen av funktionella grupper eller molekyler till deras ytor. Denna funktionalisering förbättrar deras kompatibilitet med specifika polymerer eller material.

Syntes av grafennanoplattor genom ultraljudsbehandling

Grafennanoplattor kan syntetiseras genom ultraljudsassisterad exfoliering av grafit. För detta ultraljudsbehandlas en grafitsuspension med en ultraljudshomogenisator av sondtyp. Detta förfarande har testats vid mycket låga (t.ex. 4wt% eller lägre) till höga (t.ex. 10wt% eller högre) halter av fasta ämnen.
 
Ghanem och Rehim (2018) rapporterar att ultraljudsexfoliering av grafit i vatten med hjälp av natriumdodecylbensensulfonat (SDS), i syfte att framställa dispergerade grafennanoplattor med ultraljudsapparaten av sondtyp UP 100H, möjliggjorde framgångsrik framställning av defektfritt grafen med få lager (>5). Följande prekursor användes: reducerade grafennanoark framställdes med Hummer-metoden och behandlades i ytterligare två steg, oxidation av grafit följd av reduktion av grafenoxid. Därigenom erhölls dispergerade grafennanoplattor i vatten genom en metod för dispergering i lösningsmedel (se schemat nedan). Grafitlager exfolierades genom ultraljudsbehandling med ultraljudsapparaten av sondtyp UP100H (100 W). 0,25 g SDS löstes i 150 mL avjoniserat vatten och därefter tillsattes 0,5 g grafit. Grafitlösningen ultraljudsbehandlades i 12h i ett isbad och därefter centrifugerades suspensionen vid 686× g i 30 min för att avlägsna de stora partiklarna. Fällningen kasserades och supernatanten centrifugerades på nytt i 90 min vid 12 600× g. De erhållna dispergerade grafennanoplattorna tvättades noggrant flera gånger för att avlägsna det ytaktiva ämnet. Slutligen torkades produkten vid 60ºC under vakuum.

Högupplösta transmissionselektronmikroskopibilder av grafennanoark framställda
genom ultraljudsassisterad dispergering i vattenfas och Hummer-metoden.
(Studie och grafik: Ghanem och Rehim, 2018)

Vad är skillnaden mellan grafenark och nanoplattor?

Grafenark och grafennanoplattor är båda nanomaterial som består av grafen, vilket är ett enda lager av kolatomer ordnade i ett hexagonalt gitter. Ibland används grafenark och grafennanoplattor som utbytbara termer. Vetenskapligt sett finns det dock några skillnader mellan dessa grafennanomaterial: Den främsta skillnaden mellan grafenark och grafennanoplattor ligger i deras struktur och tjocklek. Grafenark består av ett enda lager av kolatomer och är exceptionellt tunna, medan grafennanoplattor är tjockare och består av flera staplade grafenlager. Dessa strukturella skillnader kan påverka deras egenskaper och lämplighet för specifika tillämpningar. Användningen av sonikatorer av sondtyp är en mycket verkningsfull och effektiv teknik för att syntetisera, dispergera och funktionalisera såväl enskiktade grafenark som grafennanoplattor med ett fåtal staplade lager.

Illustration som visar ultraljudssyntesen av grafennanoplattor med sonikatorn UP100H
(Studie och illustration: Ghanem och Rehim, 2018)

Dispergering av grafennanoplattor med ultraljudsbehandling

En jämn dispergering av grafennanoplattor (GNP) är avgörande i olika tillämpningar eftersom den direkt påverkar egenskaperna och prestandan hos de resulterande materialen eller produkterna. Därför installeras sonikatorer för dispergering av grafennanoplattor inom olika branscher. Följande branscher är framträdande exempel på användningen av högeffektsultraljud:
 

• Nanokompositer: Grafennanoplattor kan införlivas i olika nanokompositmaterial, såsom polymerer, för att förbättra deras mekaniska, elektriska och termiska egenskaper. Sonikatorer av sondtyp hjälper till att dispergera nanoplattorna jämnt i polymermatrisen, vilket ger förbättrad materialprestanda.
• Elektroder och batterier: Grafennanoplattor används vid utveckling av högpresterande elektroder för batterier och superkondensatorer. Ultraljudsbehandling hjälper till att skapa väldispergerade grafenbaserade elektrodmaterial med ökad ytarea, vilket förbättrar energilagringsförmågan.
• Katalys: Ultraljudsbehandling kan användas för att framställa katalytiska material baserade på grafennanoplattor. En jämn dispergering av katalytiska nanopartiklar på grafenytan kan förbättra den katalytiska aktiviteten i olika reaktioner.
• Sensorer: Grafennanoplattor kan användas vid tillverkning av sensorer för olika tillämpningar, inklusive gasdetektering, biosensorik och miljöövervakning. Ultraljudsbehandling säkerställer en homogen fördelning av nanoplattorna i sensormaterialen, vilket leder till förbättrad känslighet och prestanda.
• Beläggningar och filmer: Sonikatorer av sondtyp används för att framställa beläggningar och filmer baserade på grafennanoplattor för tillämpningar inom elektronik, flyg- och rymdteknik samt skyddsbeläggningar. Jämn dispergering och god vidhäftning till substrat är avgörande för dessa tillämpningar.
• Biomedicinska tillämpningar: I biomedicinska tillämpningar kan grafennanoplattor användas för läkemedelsleverans, avbildning och vävnadsteknik. Ultraljudsbehandling hjälper till vid framställning av grafenbaserade nanopartiklar och kompositer som används i dessa tillämpningar.

SEM-bilder av grafennanoplattor vid (b) X3000 och (c) X8000
(Studie och bilder: ©Alizadeh et al., 2018)

Vetenskapligt belagda resultat för dispersioner av grafennanoplattor framställda med ultraljud

Forskare har använt Hielscher ultraljudsapparater för syntes och dispergering av grafennanoplattor i ett stort antal studier och grundligt testat effekterna av ultraljudsbehandling. Nedan finns några exempel på framgångsrik inblandning av grafennanoplattor i olika blandningar såsom vattenbaserade slurryer, epoxihartser eller murbruk.
 
Ett vanligt förfarande för tillförlitlig, snabb och jämn dispergering av grafennanoplattor är följande:
För dispergering ultraljudsbehandlades grafennanoplattorna i ren aceton med Hielscher ultraljudsblandare UP400S i nästan en timme för att förhindra agglomerering av grafenark. Acetonen avlägsnades fullständigt genom avdunstning. Därefter tillsattes grafennanoplattorna i en mängd motsvarande 1 wt % av epoxisystemet och ultraljudsbehandlades i epoxihartset vid 90W i 15 minuter.
(jfr Cakir et al., 2016)
 
En annan studie undersöker förstärkning av jonvätskebaserade nanofluider (jonanofluider) genom tillsats av grafennanoplattor. För överlägsen dispergering homogeniserades blandningen av grafennanoplattor, jonvätska och natriumdodecylbensensulfonat med Hielscher ultraljudsapparat av sondtyp UP200S i cirka 90 min.
(jfr Alizadeh et al., 2018)

 
Tragazikis et al. (2019) rapporterar om effektiv inblandning av grafennanoplattor i murbruk. För detta framställdes vattenbaserade grafensuspensioner genom tillsats av nanoplattor – i mängder vars vikt bestämdes av de önskade målhalterna i de resulterande materialen – till blandningar av vanligt kranvatten och flyttillsatsmedel, följt av magnetomrörning i 2 min. Suspensionerna homogeniserades genom ultraljudsbehandling i 90 min vid rumstemperatur med en Hielscher UP400S-apparat (Hielscher Ultrasonics GmbH) utrustad med en 22mm-sonotrod som tillförde en effekt på 4500 J/min vid en frekvens på 24 kHz. Den specifika kombinationen av energitillförsel per tidsenhet och ultraljudsbehandlingens varaktighet fastställdes som optimal efter en noggrann undersökning av hur ultraljudsparametrarna påverkar suspensionens kvalitet.
(jfr Tragazikis et al., 2019)
 
Zainal et al. (2018) konstaterar i sin forskning att en lämplig dispergeringsteknik såsom ultraljudsbehandling säkerställer att nanomaterial såsom grafennanoplattor kan förbättra fyllnadsmaterialens egenskaper. Detta beror på att dispergering är en av de viktigaste faktorerna vid framställning av högkvalitativa nanokompositer såsom epoxibaserat injekteringsbruk.

Högpresterande ultraljudsapparater för bearbetning av grafennanoplattor

Hielscher Ultrasonics är marknadsledande när det gäller högpresterande ultraljudsapparater för bearbetning av nanomaterial. Hielscher ultraljudsapparater av sondtyp används över hela världen i laboratorier och industriella miljöer för olika tillämpningar, inklusive bearbetning av grafennanoplattor.
Den senaste tekniken, tyskt hantverk och ingenjörskunnande samt lång teknisk erfarenhet gör Hielscher Ultrasonics till din föredragna partner för framgångsrik ultraljudstillämpning.

Konstruktion, tillverkning och rådgivning – kvalitet tillverkad i Tyskland

Hielschers ultraljudsapparater är välkända för sina högsta kvalitets- och designstandarder. Robusthet och enkel användning möjliggör smidig integrering av våra ultraljudsapparater i industrianläggningar. Hielschers ultraljudsapparater klarar enkelt tuffa förhållanden och krävande miljöer.

Hielscher Ultrasonics är ett ISO-certifierat företag och lägger särskild vikt vid högpresterande ultraljudsapparater med den senaste tekniken och hög användarvänlighet. Självklart uppfyller Hielschers ultraljudsapparater CE-kraven och kraven enligt UL, CSA och RoHs.

Tabellen nedan ger en uppfattning om den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater: