超聲波分散在石墨烯制備中的作用

超聲分散是一種可靠的方法，可以從石墨薄片或顆粒中生產出石墨烯層。其他常見的分散技術（例如球磨機，輥磨機或高剪切混合器）容易受到使用侵蝕性試劑和溶劑的影響。而超聲波分散技術能夠很好得克服這個問題，高效地制備石墨烯材料。

超聲波分散會使液體中的石墨烯轉變為分散狀態，即由于超聲波振動效應而對固體或流體進行精細或超精細的超聲研磨。由于在液體介質中產生的超聲場的特殊性，超聲分散提供了高度分散的均勻，化學純凈的懸浮液（粒徑小于1μm）。

超聲波制備石墨烯的原理

超聲制備石墨烯是基于空化效應，因此不會破壞石墨烯內部的量子結構。超聲空化通過高功率超聲波，可以產生高頻振幅。高功率超聲可以用于液體的處理，例如混合，乳化，分散和解聚或研磨。當以高強度對液體進行超聲處理時，傳播到液體介質中的聲波會導致交替的高壓（壓縮）和低壓（反射）循環，速率取決于頻率。在低壓循環中 高強度超聲波會在液體中產生小的真空氣泡或空隙。當氣泡達到無法吸收能量的體積時，它們會在高壓循環中劇烈塌陷。這種現象稱為空化。

超聲波分散設備會將高頻振動傳遞到液體中，這種機械應力的施加能使石墨烯顆粒的團聚分開。在對液體進行超聲處理時，傳播到液體介質中的聲波導致高壓（壓縮）和低壓（反射）循環交替進行。液體中的超聲空化會導致高達1000 km / h（約600 mph）的高速液體射流。這種射流在顆粒之間以高壓擠壓液體并將石墨烯彼此分離。較小的顆粒會隨著液體射流而加速并高速碰撞。高速碰撞產生的高強度的沖擊波不斷作用在石墨體表面，石墨會反射并產生拉應力。當大量的微氣泡破裂時，石墨薄片之間的拉伸應力不斷增加，石墨烯薄片會逐漸被剝離。

石墨烯的剝落與分散

如果要將石墨烯作為材料應用，必須先將石墨烯均勻地分散到配方中。由于石墨烯具有疏水性，在沒有表面活性劑或分散劑的進行穩定的情況下，想獲得高濃度的石墨烯分散體是個困難的事情。

石墨烯納米片（GNP）可以通過大功率超聲處理將石墨在溶劑中剝離而制成。超聲剝離的石墨烯可以用生物聚合物官能化以獲得水分散性石墨烯。通過超聲空化，可以將合成的石墨烯進一步加工成穩定的水基分散體。將石墨烯納米混入液體中很容易發生團聚現象，超聲分散能夠將在水和非水懸浮液中團聚的石墨烯破碎，可以發揮納米材料的全部潛能。

氧化石墨烯是水溶性的，可以輕松地分散成穩定的膠體。超聲波剝落和分散是一種非常有效，快速且經濟高效的方法，可以在工業規模上合成，分散和功能化氧化石墨烯。為了控制氧化石墨烯（GO）納米片的尺寸，剝落方法起著關鍵作用。由于其精確可控的工藝參數，超聲剝離是生產高質量石墨烯和氧化石墨烯時使用*泛的分層技術。

超聲波輔助液相剝落

液相剝落（LPE）是一種用于石墨烯薄片剝落的有效方法。主要原理是將石墨或者氧化石墨作為原料加在某種特定的溶劑或者表面活性劑中攪拌熱插層，形成石墨烯預處理液，再借助大功率超聲設備發出的超聲波將石墨烯從石墨表面剝離出來。

超聲波輔助石墨烯剝落影響因素主要是超聲波的空化作用與高剪切力。超聲波處理過程中的空化作用使得分散在溶劑中的石墨被擠壓破碎。而超聲波的剪切力能使得溶劑形成微射流沖擊石墨表面，促進石墨層與層之間的分離。

總結

高功率超聲系統可以用于石墨烯和氧化石墨烯的剝離，分散和制備。可靠的超聲波處理器和先進的反應堆可提供石墨烯處理所需的功率，精確的控制的加工條件，從而可以將超聲波加工結果精確地調整到所需的加工目標。