Frontier Materials & TechnologiesFrontier Materials & TechnologiesFrontier Materials & Technologies2782-40392782-6074Togliatti State University15610.18323/2073-5073-2021-3-74-83ArticlesСтатьиObtaining graphene structures and nanopolymers using ultrasonic vibrationsПолучение графеновых структур и нанополимеров с использованием ультразвуковых колебанийhttps://orcid.org/0000-0002-0350-1180RubanikVasily V.РубаникВасилий Васильевич
Belarus

Doctor of Sciences (Engineering), Corresponding Member of the National Academy of Sciences of Belarus, Head of the Laboratory of Physics of Metals

доктор технических наук, член-корреспондент Национальной академии наук Беларуси, заведующий лабораторией физики металлов

https://orcid.org/0000-0002-0430-7400SavitskyVladislav O.СавицкийВладислав Олегович
Belarus

postgraduate student, junior researcher

аспирант, младший научный сотрудник

savok7@list.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9268-0167Rubanik jr.Vasily V.Рубаник мл.Василий Васильевич
Belarus

Doctor of Sciences (Engineering), Associate Professor, Director

доктор технических наук, доцент, директор

LutskoValery F.ЛуцкоВалерий Федорович
Belarus

senior researcher

старший научный сотрудник 

NikiforovaIrina V.НикифороваИрина Владимировна
Belarus

Head of department

заведующий отделом

https://orcid.org/0000-0003-3843-7905BuiHung ThangБуйХунг Тханг
Viet Nam

Doctor of Sciences (Engineering), researcher

доктор технических наук, научный сотрудник

DoanDinh PhuongДоанДинь Фуонг
Viet Nam

Doctor of Sciences, Director

доктор наук, директор

Institute of Technical Acoustic of the National Academy of Sciences of Belarus, Vitebsk (Republic of Belarus)Институт технической акустики Национальной академии наук Беларуси, Витебск (Республика Беларусь)Institute of Materials Science of Vietnam Academy of Sciences and Technologies, Hanoi (Vietnam)Институт материаловедения Вьетнамской академии наук и технологий, Ханой (Вьетнам)30092021374833009202130092021https://vektornaukitech.ru/jour/article/view/156

Graphene-based polymer nanocomposites are considered a promising class of future materials. The degree of filling, the filler and binder nature, and the shape, size, and mutual arrangement of filler particles determine the properties of a polymer composite material. The destruction of nanoparticles aggregates occurs most effectively in liquid media under the action of ultrasonic vibrations. The authors proposed the technique and designed laboratory equipment for ultrasonic treatment of the finely-dispersed graphite suspension, carried out the ultrasonic treatment (UST) of finely-dispersed graphite powder. The suspensions based on graphite with a solvent were obtained. The authors carried out the experiments on producing graphene using the graphite liquid-phase exfoliation method at the ultrasonic treatment with different ultrasonic treatment times, analyzed experimental data, and selected the UST optimal time. The paper contains the results of the study of the effect of the graphite suspension base on the degree of ultrasonic liquid-phase exfoliation of graphite. The most effective synthesis of graphene structures using UST is synthesis from graphite suspensions based on dichloroethane, benzol, and dichlorobenzene. Graphene structures’ output ratio amounts to up to 66 %. The authors developed the technology for producing polymers modified with graphene structures using ultrasonic dispersion. Based on graphene synthesized by the graphite liquid-phase exfoliation, the authors obtained nanopolymers using ultrasonic vibrations, carried out DSC measurements, and studied their strength properties. The limit strength of elastic polymers is from 1.9 to 3.6 MPa at different concentrations of graphene inclusions. The residual elongation of samples within the deviation did not change and amounted to 200 %.

Нанокомпозиты на основе полимера и графена являются одним из классов перспективных материалов. При этом свойства полимерного композиционного материала определяются не только степенью наполнения и природой наполнителя и связующего, но и формой, размером и взаимным расположением частиц наполнителя. Наиболее эффективно разрушение агрегатов наночастиц происходит в жидких средах под действием ультразвуковых колебаний. Предложен способ и разработано лабораторное оборудование для ультразвуковой обработки суспензии мелкодисперсного графита, проведена ультразвуковая обработка (УЗО) мелкодисперсного порошка графита. Получены суспензии на основе графита с растворителем, проведены эксперименты по получению графена методом жидкофазного расслоения графита при ультразвуковом воздействии с разным временем ультразвуковой обработки, проанализированы экспериментальные данные и выбрано оптимальное время УЗО. Представлены результаты исследования влияния основы графитовой суспензии на степень жидкофазного расслоения графита при ультразвуковом воздействии. Синтез графеновых структур с помощью УЗО наиболее эффективен из графитовых суспензий на основе дихлорэтана, бензола и дихлорбензола. Доля выхода графеновых структур составляет до 66 %. Разработана технология получения полимеров, модифицированных графеновыми структурами с помощью ультразвукового диспергирования. На основе графена, синтезированного методом жидкофазного расслоения графита, получены нанополимеры с использованием ультразвуковых колебаний, проведены ДСК-измерения и исследованы прочностные свойства этих нанополимеров. Предел прочности каучуковых полимеров – от 1,9 до 3,6 МПа при различной концентрации графеновых включений. Остаточное удлинение образцов в пределах погрешности не изменилось и составило 200 %.

ultrasonic treatmentgraphitegrapheneliquid-phase exfoliationnanocompositenanopolymerultrasonic dispersionультразвуковая обработкаграфитграфенжидкофазное расслоениенанокомпозитнанополимерультразвуковое диспергированиеThe work is supported by the Belarusian Republican Foundation for Fundamental Research (project No. Т19В-009).Работа выполнена при поддержке БРФФИ (проект № Т19В-009).Novoselov K.S., Fal’ko V.I., Colombo L., Gellert P.R., Schwab M.G., Kim K. A roadmap for graphene. Nature, 2012, vol. 490, no. 7419, pp. 192–200.Novoselov K.S., Fal’ko V.I., Colombo L., Gellert P.R., Schwab M.G., Kim K. A roadmap for graphene // Nature. 2012. Vol. 490. № 7419. P. 192–200.Soldano C., Mahmood A., Dujardin E. Production, properties and potential of graphene. Carbon, 2010, vol. 48, no. 8, pp. 2127–2150.Soldano C., Mahmood A., Dujardin E. Production, properties and potential of graphene // Carbon. 2010. Vol. 48. № 8. P. 2127–2150.Yang S.K., Zhuo K.L., Sun D., Wang X.H., Wang J.J. Preparation of graphene by exfoliating graphite in aqueous fulvic acid solution and its application in corrosion protection of aluminum. Journal of Colloid and Interface Science, 2019, vol. 543, pp. 263–272.Yang S.K., Zhuo K.L., Sun D., Wang X.H., Wang J.J. Preparation of graphene by exfoliating graphite in aqueous fulvic acid solution and its application in corrosion protection of aluminum // Journal of Colloid and Interface Science. 2019. Vol. 543. P. 263–272.Novoselov K.S., Jiang D., Schedin F., Booth T.J., Khotkevich V.V., Morozov S.V. Two-dimensional atomic crystals. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2005, vol. 102, no. 30, pp. 10451–10453.Novoselov K.S., Jiang D., Schedin F., Booth T.J., Khotkevich V.V., Morozov S.V. Two-dimensional atomic crystals // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2005. Vol. 102. № 30. P. 10451–10453.Lotya M., Hernandez Y., King P.J., Smith R.J., Nicolosi V., Karlsson L.S., Blighe F.M., De S., Wang Z.M., McGovern I.T., Duesberg G.S., Coleman J.N. Liquid phase production of graphene by exfoliation of graphite in surfactant/water solutions. Journal of the American Chemical Society, 2009, vol. 131, no. 10, pp. 3611–3620.Lotya M., Hernandez Y., King P.J., Smith R.J., Nicolosi V., Karlsson L.S., Blighe F.M., De S., Wang Z.M., McGovern I.T., Duesberg G.S., Coleman J.N. Liquid phase production of graphene by exfoliation of graphite in surfactant/water solutions // Journal of the American Chemical Society. 2009. Vol. 131. № 10. P. 3611–3620.Khan U., O’Neill A., Lotya M., De S., Coleman J.N. High-concentration solvent exfoliation of graphene. Small, 2010, vol. 6, no. 7, pp. 864–871.Khan U., O’Neill A., Lotya M., De S., Coleman J.N. High-concentration solvent exfoliation of graphene // Small. 2010. Vol. 6. № 7. P. 864–871.Los S., Duclaux L., Alvarez L., Hawelek L., Duber S., Kempinski W. Cleavage and size reduction of graphite crystal using ultrasound radiation. Carbon, 2013, vol. 55, pp. 53–61.Los S., Duclaux L., Alvarez L., Hawelek L., Duber S., Kempinski W. Cleavage and size reduction of graphite crystal using ultrasound radiation // Carbon. 2013. Vol. 55. P. 53–61.Vadukumpully S., Paul J., Valiyaveettil S. Cationic surfactant mediated exfoliation of graphite into graphene flakes. Carbon, 2009, vol. 47, no. 14, pp. 3288–3294.Vadukumpully S., Paul J., Valiyaveettil S. Cationic surfactant mediated exfoliation of graphite into graphene flakes // Carbon. 2009. Vol. 47. № 14. P. 3288–3294.Goodwin D.G., Adeleye A.S., Sung L., Ho K.T., Burgess R.M., Petersen E.J. Detection and quantification of graphene-family nanomaterials in the environment. Environmental Science and Technology, 2018, vol. 52, no. 8, pp. 4491–4513.Goodwin D.G., Adeleye A.S., Sung L., Ho K.T., Burgess R.M., Petersen E.J. Detection and quantification of graphene-family nanomaterials in the environment // Environmental Science and Technology. 2018. Vol. 52. № 8. P. 4491–4513.Yang S.K., Wang C., Zhang S., Zhuo K. Research progress in preparation of graphene and its composites based on ionic liquids. Scientia Sinica Chimica, 2016, vol. 46, no. 12, pp. 1277–1291.Yang S.K., Wang C., Zhang S., Zhuo K. Research progress in preparation of graphene and its composites based on ionic liquids // Scientia Sinica Chimica. 2016. Vol. 46. № 12. P. 1277–1291.Dong L., Chen Z.X., Zhao X.X., Ma J.H., Lin S., Li M.X., Bao Y., Chu L.Q., Leng K., Lu H.B., Loh K.P. A non-dispersion strategy for large-scale production of ultra-high concentration graphene slurries in water. Nature Communications, 2018, vol. 9, article number 76.Dong L., Chen Z.X., Zhao X.X., Ma J.H., Lin S., Li M.X., Bao Y., Chu L.Q., Leng K., Lu H.B., Loh K.P. A non-dispersion strategy for large-scale production of ultra-high concentration graphene slurries in water // Nature Communications. 2018. Vol. 9. Article number 76.Wang X.Q., Fulvio P.F., Baker G.A., Veith G.M., Unocic R.R., Mahurin S.M., Chi M.F., Dai S. Direct exfoliation of natural graphite into micrometre size few layers grapheme sheets using ionic liquids. Chemical Communications, 2010, vol. 46, no. 25, pp. 4487–4489.Wang X.Q., Fulvio P.F., Baker G.A., Veith G.M., Unocic R.R., Mahurin S.M., Chi M.F., Dai S. Direct exfoliation of natural graphite into micrometre size few layers grapheme sheets using ionic liquids // Chemical Communications. 2010. Vol. 46. № 25. P. 4487–4489.Li X.L., Zhang G.Y., Bai X.D., Sun X.M., Wang X.R., Wang E., Dai H.J. Highly conducting graphene sheets and Langmuir-Blodgett films. Nature Nanotechnology, 2008, vol. 3, no. 9, pp. 538–542.Li X.L., Zhang G.Y., Bai X.D., Sun X.M., Wang X.R., Wang E., Dai H.J. Highly conducting graphene sheets and Langmuir-Blodgett films // Nature Nanotechnology. 2008. Vol. 3. № 9. P. 538–542.Zhang B., Chen T.J. Study of ultrasonic dispersion of graphene nanoplatelets. Materials, 2019, vol. 12, no. 11, article number 1757.Zhang B., Chen T.J. Study of ultrasonic dispersion of graphene nanoplatelets // Materials. 2019. Vol. 12. № 11. Article number 1757.Tung T.T., Yock J., Alotaibi F.K., Nine M.J., Karunagaran R., Krebsz M., Nguyen G.T., Tran D.N.H., Feller J.F., Losic D. Graphene oxide-assisted liquid phase exfoliation of graphite into graphene forhighly conductive film and electromechanical sensors. ACS Applied Materials and Interfaces, 2016, vol. 8, no. 25, pp. 16521–16532.Tung T.T., Yock J., Alotaibi F.K., Nine M.J., Karunagaran R., Krebsz M., Nguyen G.T., Tran D.N.H., Feller J.F., Losic D. Graphene oxide-assisted liquid phase exfoliation of graphite into graphene forhighly conductive film and electromechanical sensors // ACS Applied Materials and Interfaces. 2016. Vol. 8. № 25. P. 16521–16532.Zhang L., Peng D., Liang R.P., Qiu J.D. Graphene-based optical nanosensors for detection of heavy metal ions. TRAC-Trends in Analytical Chemistry, 2018, vol. 102, pp. 280–289.Zhang L., Peng D., Liang R.P., Qiu J.D. Graphene-based optical nanosensors for detection of heavy metal ions // TRAC-Trends in Analytical Chemistry. 2018. Vol. 102. P. 280–289.Song Y., Luo Y.N., Zhu C.Z., Li H., Du D., Lin Y.H. Recent advances in electrochemical biosensors based on graphene two-dimensional nanomaterials. Biosensors and Bioelectronics, 2016, vol. 76, no. SI, pp. 195–212.Song Y., Luo Y.N., Zhu C.Z., Li H., Du D., Lin Y.H. Recent advances in electrochemical biosensors based on graphene two-dimensional nanomaterials // Biosensors and Bioelectronics. 2016. Vol. 76. № SI. P. 195–212.Muthoosamy K., Manickam S. State of the art and recent advances in the ultrasound-assisted synthesis, exfoliation and functionalization of graphene derivatives. Ultrasonics Sonochemistry, 2017, vol. 39, pp. 478–493.Muthoosamy K., Manickam S. State of the art and recent advances in the ultrasound-assisted synthesis, exfoliation and functionalization of graphene derivatives // Ultrasonics Sonochemistry. 2017. Vol. 39. P. 478–493.Baytimbetova B.A., Vermenichev B.M., Ryabikin Yu.A., Mansurov Z.A. Getting grapheme structures in graphite with benzene at affecting of ultrasonic. Gorenie i plazmokhimiya, 2013, vol. 11, no. 1, pp. 76–82.Байтимбетова Б.А., Верменичев Б.М., Рябикин Ю.А., Мансуров З.А. Получение графеновых структур в графите с бензолом при воздействии ультразвука // Горение и плазмохимия. 2013. Т. 11. № 1. С. 76–82.Dolinskaya R.M., Prokopchuk N.R., Korovina Yu.V. Modification of synthetic rubber to improve the elastic and strength properties of the elastomeric composition. Trudy BGTU. Seriya 2: Khimicheskie tekhnologii, biotekhnologiya, geoekologiya, 2015, no. 4, pp. 29–36.Долинская Р.М., Прокопчук Н.Р., Коровина Ю.В. Модификация синтетических каучуков с целью улучшения упруго-прочностных свойств эластомерных композиций // Труды БГТУ. Серия 2: Химические технологии, биотехнология, геоэкология. 2015. № 4. С. 29–36.Volkova T.S., Isaev A.Yu., Petrova A.P., Zhuravleva P.L. Special aspects of influence of nanosilicates on the change in the properties of different polymeric and bonding systems. Klei. Germetiki. Tekhnologii, 2013, no. 1, pp. 16–20.Волкова Т.С., Исаев А.Ю., Петрова А.П., Журавлева П.Л. Особенности влияния наносиликатов на изменение свойств различных полимерных и клеящих систем // Клеи. Герметики. Технологии. 2013. № 1. С. 16–20.