Графенові нанопластинки (GNP) можуть бути синтезовані та дисперговані з високою ефективністю та надійністю за допомогою ультразвукових апаратів. Ультразвук високої інтенсивності використовується для відлущування графіту та отримання малошарового графена, який часто називають графеновими нанотромбоцитами. Ультразвукова обробка також відрізняється досягненням відмінного розподілу графенових нанотромбоцитів як у низьких, так і у високов'язких суспензіях.

Обробка графенових нанотромбоцитів – Чудові результати з ультразвуком

Для обробки графенових нанотромбоцитів ультразвукові апарати зондового типу є найбільш ефективним, надійним і простим у використанні інструментом. Оскільки ультразвук може бути застосований для синтезу, дисперсії та функціоналізації графенових нанотромбоцитів, ультразвукові апарати використовуються для численних застосувань, пов'язаних з графеном:

• Відлущування і синтез Ультразвукові апарати зондового типу використовуються для відшарування графіту в малошарові графенові або графенові нанотромбоцити. Ультразвук високої інтенсивності порушує міжшарові сили і розбиває графіт на менші, окремі листи графена.
• Дисперсії: Досягнення рівномірної дисперсії графенових нанотромбоцитів у рідкому середовищі має вирішальне значення для всіх застосувань, пов'язаних із графеном. Ультразвукові апарати зондового типу можуть рівномірно розподіляти нанотромбоцити по всій рідині, запобігаючи агломерації та забезпечуючи стабільну суспензію.
• Функціоналізація: Ультразвукова обробка полегшує функціоналізацію графенових нанотромбоцитів, сприяючи прикріпленню функціональних груп або молекул до їх поверхні. Така функціоналізація підвищує їх сумісність з конкретними полімерами або матеріалами.

Синтез графенових нанотромбоцитів за допомогою ультразвукової обробки

Графенові нанотромбоцити можуть бути синтезовані ультразвуковим графітовим відлущенням. Тому графітова суспензія обробляється ультразвуком за допомогою ультразвукового гомогенізатора зондового типу. Ця процедура була протестована з дуже низькими (наприклад, 4wt% або нижче) до високими твердими (наприклад, 10wt% або вище) концентраціями.
 
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.

Отримано зображення трансмісійного електронного мікроскопа з високою роздільною здатністю графенових наношарів
за допомогою ультразвукової дисперсії водної фази та методу Хаммера.
(Дослідження та графіка: Ghanem and Rehim, 2018)

Яка різниця між графеновими листами та нанотромбоцитами?

Графенові листи і графенові нанопластинки - це наноматеріали, що складаються з графена, який являє собою один шар атомів вуглецю, розташованих у гексагональній решітці. Іноді графенові листи та графенові нанопластинки використовуються як взаємозамінні терміни. Але з наукової точки зору є кілька відмінностей між цими графеновими наноматеріалами: Основна відмінність між графеновими листами та графеновими нанопластинками полягає в їх структурі та товщині. Графенові листи складаються з одного шару атомів вуглецю і надзвичайно тонкі, тоді як графенові нанопластинки товщі і складаються з декількох складених шарів графена. Ці структурні відмінності можуть вплинути на їх властивості та придатність для конкретних застосувань. Використання ультразвукових апаратів зондового типу є високоефективною та ефективною технікою синтезу, диспергування та функціоналізації графенових одношарових графенових листів, а також багатошарових графенових нанотромбоцитів.

Графічна візуалізація ультразвукового синтезу графенових нанотромбоцитів за допомогою ультразвукового апарату UP100H
(Дослідження та графіка: Ghanem and Rehim, 2018)

Дисперсія графенових нанопластинок за допомогою ультразвукової обробки

Рівномірна дисперсія графенових нанотромбоцитів (ВНП) має вирішальне значення в різних застосуваннях, оскільки вона безпосередньо впливає на властивості та продуктивність отриманих матеріалів або продуктів. Тому ультразвукові апарати встановлюються для дисперсій графенових нанотромбоцитів у різних галузях промисловості. Наступні галузі промисловості є яскравими прикладами використання ультразвуку потужності:
 

• Нанокомпозити: Графенові нанопластинки можуть бути включені в різні нанокомпозитні матеріали, такі як полімери, для підвищення їх механічних, електричних і теплових властивостей. Зондові ультразвукові апарати допомагають рівномірно розподіляти нанотромбоцити в полімерній матриці, що призводить до поліпшення продуктивності матеріалу.
• Електроди та акумулятори: Графенові нанопластинки використовуються при розробці високоефективних електродів для акумуляторів і суперконденсаторів. Ультразвукова обробка допомагає створювати добре дисперсні електродні матеріали на основі графена зі збільшеною площею поверхні, що покращує можливості зберігання енергії.
• Каталіз: Ультразвукова обробка може бути використана для підготовки каталітичних матеріалів на основі графенових нанотромбоцитів. Рівномірна дисперсія каталітичних наночастинок на поверхні графена може посилити каталітичну активність у різних реакціях.
• Датчики: Графенові нанопластинки можуть бути використані у виробництві датчиків для різних застосувань, включаючи зондування газу, біозондування та моніторинг навколишнього середовища. Ультразвукова обробка забезпечує однорідний розподіл нанотромбоцитів у сенсорних матеріалах, що призводить до підвищення чутливості та продуктивності.
• Покриття та плівки: Ультразвукові апарати зондового типу використовуються для підготовки покриттів і плівок на основі графенових нанотромбоцитів для застосування в електроніці, аерокосмічній та захисних покриттях. Рівномірна дисперсія та належна адгезія до основ мають вирішальне значення для цих застосувань.
• Біомедичні застосування: У біомедичних додатках графенові нанопластинки можуть бути використані для доставки ліків, візуалізації та тканинної інженерії. Ультразвукова обробка допомагає в підготовці наночастинок і композитів на основі графена, що використовуються в цих додатках.

SEM-зображення графенових нанопластинок при (b) X3000 та (c) X8000
(Дослідження та зображення: ©Alizadeh et al., 2018)

Науково доведені результати для ультразвукових графенових нанотромбоцитарних дисперсій

Вчені використовували ультразвукові апарати Hielscher для синтезу та дисперсії графенових нанотромбоцитів у численних дослідженнях та енергійно перевіряли ефекти ультразвуку. Нижче ви можете знайти кілька прикладів успішного змішування графенових нанотромбоцитів у різні суміші, такі як водні суспензії, експозиційні смоли або розчин.
 
Загальною процедурою для надійної, швидкої рівномірної дисперсії графенових нанотромбоцитів є наступна процедура:
Для дисперсії графенові нанотромбоцити були ультразвуковими в чистому ацетоні за допомогою ультразвукового змішувача Hielscher UP400S протягом майже однієї години, щоб запобігти агломерації графенових листів. Ацетон повністю видалявся випаровуванням. Потім графенові нанотромбоцити були додані на 1 мас.% епоксидної системи і ультразвуковою обробкою в епоксидній смолі при 90 Вт протягом 15 хвилин.
(пор. Какір та ін., 2016)
 
Інше дослідження досліджує посилення іонних нанофлуїдів на рідкій основі (іонанофлюїдів) шляхом додавання графенових нанотромбоцитів. Для чудової дисперсії суміш графенових нанотромбоцитів, іонної рідини та додецилбензолу сульфонату натрію була гомогенізована за допомогою ультразвукового апарату типу зонда Хілешера UP200S протягом приблизно 90 хвилин.
(пор. Алізаде та ін., 2018)

 
Tragazikis et al. (2019) повідомляють про ефективне включення графенових нанотромбоцитів у розчин. Тому водні графенові суспензії були отримані шляхом додавання нанотромбоцитів - при вагах, вписаних бажаним цільовим вмістом в отримані матеріали - в сумішах звичайної водопровідної води та пластифікатора та подальшого магнітного перемішування протягом 2 хв. Суспензії були гомогенізовані ультразвуком протягом 90 хв при кімнатній температурі, використовуючи пристрій Hielscher UP400S (Hielscher Ultrasonics GmbH), оснащений 22mm-сонотродом, що забезпечує пропускну здатність потужності 4500 Дж / хв на частоті 24 кГц. Конкретна комбінація швидкості енергії та тривалості ультразвукової обробки була встановлена як оптимальна після ретельного дослідження впливу ультразвукових параметрів якості суспензії.
(пор. Tragazikis et al., 2019)
 
Zainal et al. (2018) стверджують у своїх дослідженнях, що належна дисперсійна техніка, така як ультразвукова обробка, гарантує, що наноматеріали, такі як графенові наноплатети, можуть підвищити властивості матеріалів для заповнення. Це пов'язано з тим, що дисперсія є одним з найважливіших факторів для виробництва високоякісних нанокомпозитів, таких як епоксидна затирка.

Високопродуктивні ультразвукові апарати для обробки графенових нанотромбоцитів

Hielscher Ultrasonics є лідером ринку, коли справа доходить до високопродуктивних ультразвукових апаратів для обробки наноматеріалів. Ультразвукові апарати зондового типу Hielscher використовуються у всьому світі в лабораторіях та промислових установах для різних застосувань, включаючи обробку графенових нанотромбоцитів.
Найсучасніші технології, німецька майстерність та інженерія, а також багаторічний технічний досвід роблять Hielscher Ultrasonics кращим партнером для успішного ультразвукового застосування.

Дизайн, виробництво та консалтинг – Якість виробництва Німеччини

Hielscher ультраакукатори добре відомі своїми найвищими стандартами якості та дизайну. Надійність і проста експлуатація дозволяють плавно інтегрувати наші ультразвукові апарати в промислові об'єкти. Грубі умови та вимогливе середовище легко обробляються ультразвуковими апаратами Hielscher.

Hielscher Ultrasonics є сертифікованою ISO компанією і робить особливий акцент на високопродуктивних ультразвукових апаратах, що відрізняються найсучаснішими технологіями та зручністю для користувачів. Звичайно, ультразвукові апарати Hielscher сумісні з CE і відповідають вимогам UL, CSA та RoHs.

У таблиці нижче наведено приблизну потужність обробки наших ультразвукових пристроїв: