Ултразвуково диспергиране на еднослоен аморфен въглерод (MAC) в течности

Еднослойният аморфен въглерод (MAC) е нов наноматериал на въглеродна основа с изключителна механична якост, гъвкавост и проводимост. Включването му в течни матрици е от решаващо значение за приложения във високоефективни композити, съхранение на енергия, покрития и електронни материали. Постигането на равномерна и стабилна дисперсия на MAC обаче е предизвикателство поради силните му взаимодействия на Ван дер Ваалс и склонността му към агрегиране. Ултразвуковото диспергиране с ултразвукови апарати със сонда на Hielscher осигурява мащабируемо и високоефективно решение за разбиване на клъстерите от MAC и осигуряване на хомогенно разпределение в течни фази.

Предизвикателства при диспергирането на MAC

Поради своята ултратънка структура и висока повърхностна енергия MAC естествено се агрегира в многослойни пакети при въвеждане в течна среда. Конвенционалните методи за смесване или методите, основани на срязване, често не успяват да диспергират ефективно MAC, което води до:

Ниска хомогенност на композитните материали
Влошени механични свойства поради агломерация
Ограничена мащабируемост на процеса

Ултразвуковата кавитация предлага ефективна и мащабируема техника, която не уврежда материала, за получаване на диспергиран еднослоен MAC в различни разтворители, полимерни матрици и реактивни състави.

Ултразвуково диспергиране: механизъм и предимства

Ултразвуковите апарати със сонда генерират интензивна акустична кавитация в течности, която води до локализирани високи сили на срязване, образуване на микроструи и ударни вълни. Тези екстремни условия ефективно разбиват агрегатите от MAC, разплитат нанолистовете и ги разпределят равномерно. Основните предимства на ултразвуковото диспергиране включват:

Ефективна ексфолиация: Преобразува многослойния MAC в монослоеве
Висока стабилност: Предотвратява повторното агрегиране чрез оптимизиране на взаимодействията между повърхностноактивните вещества и разтворителите
Мащабируемост на процеса: Подходящо за изследвания в лабораторен мащаб, пилотно производство и пълномащабно промишлено производство
Контролирана обработка: Регулируемите параметри (амплитуда, време, налягане, температура) позволяват оптимизация за конкретни приложения

Ултразвукови апарати със сонда на Hielscher: мащабируеми решения за диспергиране на MAC

Hielscher Ultrasonics предлага ултразвукови процесори с най-съвременна технология, които отговарят на нуждите за диспергиране на MAC във всички мащаби – от малки лабораторни проби до мащабни промишлени процеси в поточна линия. Техните модулни системи с възможност за адаптиране предлагат ненадмината прецизност и ефективност.

Видеото показва ултразвуково смесване и диспергиране на графит в 250mL епоксидна смола (Toolcraft L) с ултразвуков хомогенизатор (UP400St, Hielscher Ultrasonics). Hielscher Ultrasonics произвежда оборудване за диспергиране на графит, графен, въглеродни нанотръби, нанопроводници или пълнители в лабораторията или в производствени процеси с голям обем. Типични приложения са диспергирането на наноматериали и микроматериали по време на функционализиране или диспергирането им в смоли или полимери.

Диспергиране на MAC в лабораторен мащаб

За научноизследователска и развойна дейност моделите ултразвукови апарати на Hielscher UP200Ht (200W) и UP400St (400W) осигуряват прецизен контрол върху параметрите на диспергиране. Тези ултразвукови устройства позволяват:

Обработка на малки партиди за бързи проучвания на осъществимостта
Оптимизиране на параметрите за определяне на идеалната амплитуда и продължителност на обработката
Възпроизводимост за усъвършенстване на състава

Пилотно производство и производство в среден мащаб

За производство в пилотен мащаб или малко промишлено производство UIP1000hdT (1kW) и UIP2000hdT (2kW) предлагат повишена мощност, като същевременно поддържат прецизно регулиран контрол върху качеството на диспергиране. Техните характеристики включват:

Непрекъсната обработка за по-висок производствен капацитет
Реактори с проточни клетки, позволяващи диспергиране в поточна линия
Проточните клетки, които могат да се поставят под налягане, позволяват обработка при повишено налягане

Диспергиране в поточна линия в промишлен мащаб

За диспергиране на големи обеми MAC сериите UIP4000hdT, UIP6000hdT и UIP16000hdT на Hielscher (4kW–16kW на устройство) улесняват непрекъснатото диспергиране в поточна линия, като осигуряват ефективност и възпроизводимост на промишлено ниво. Предимствата включват:

Висок капацитет за обработка: Проектирани за мащабно производство на композити и покрития
Мащабируема модулна конструкция: Множество устройства могат да работят паралелно
Автоматизация на процеса: Интеграция със сензори и системи за управление за наблюдение в реално време

Как да постигна оптимално диспергиране на еднослоен аморфен въглерод?

За постигане на най-високо качество на диспергиране трябва да се оптимизират основните параметри на обработката:

Амплитуда: по-високите амплитуди осигуряват по-силна кавитация, подпомагаща ексфолиацията

Време за обработка: по-голямата продължителност на ултразвуковата обработка може да подобри диспергирането, но трябва да се контролира, за да се предотврати разграждането на материала

Избор на разтворител: правилният избор на разтворител повишава стабилността и диспергируемостта на MAC

Повърхностноактивни вещества/стабилизатори: полимери, повърхностноактивни вещества или функционални добавки могат допълнително да повишат стабилността на дисперсията на MAC

Ултразвуковото диспергиране с ултразвукови апарати със сонда на Hielscher е доказана, мащабируема и високоефективна техника за обработка на еднослоен аморфен въглерод в течности. Както в малък лабораторен мащаб, така и при пълномащабно промишлено производство, ултразвуковите апарати на Hielscher осигуряват хомогенни, стабилни дисперсии, разкривайки пълния потенциал на еднослойния аморфен въглерод (MAC) за високоефективни композити от следващо поколение, проводими покрития и продукти с подобрени чрез наноматериали свойства.

Таблицата по-долу дава представа за приблизителния капацитет за обработка на нашите ултразвукови апарати:

Обем на партидата	Дебит	Препоръчителни устройства
0,5 до 1,5mL	n.a.	VialTweeter
1 до 500mL	10 до 200mL/min	UP100H
10 до 2000mL	20 до 400mL/min	UP200Ht, UP400St
0,1 до 20L	0,2 до 4L/min	UIP2000hdT
10 до 100L	2 до 10L/min	UIP4000hdT
15 до 150L	3 до 15L/min	UIP6000hdT
n.a.	10 до 100L/min	UIP16000hdT
n.a.	по-голям	група от UIP16000hdT

Защо Hielscher Ultrasonics?

висока ефективност
най-съвременна технология
надеждност и здравина
регулируем, прецизен контрол на процеса
партидна обработка и обработка в поточна линия
за всякакъв обем
интелигентен софтуер
интелигентни функции (напр. програмируемост, протоколиране на данни, дистанционно управление)
лесна и безопасна работа
малка необходимост от поддръжка
CIP (почистване на място)

Проектиране, производство и консултации – качество, произведено в Германия

Ултразвуковите апарати на Hielscher са добре известни със своите най-високи стандарти за качество и проектиране. Здравината и лесната работа позволяват безпроблемното интегриране на нашите ултразвукови апарати в промишлени инсталации. Ултразвуковите апарати на Hielscher лесно се справят с тежки условия и взискателни среди.

Hielscher Ultrasonics е компания, сертифицирана по ISO, и поставя специален акцент върху високоефективните ултразвукови апарати, отличаващи се с най-съвременна технология и удобство за потребителя. Разбира се, ултразвуковите апарати на Hielscher съответстват на CE и отговарят на изискванията на UL, CSA и RoHs.

Свързани теми

Литература / Източници

SOP – Ultrasonic Dispersion of Multi-Walled Carbon-Nanotubes using the UP400ST Sonicator – Hielscher Ultrasonics
Adam K. Budniak, Niall A. Killilea, Szymon J. Zelewski, Mykhailo Sytnyk, Yaron Kauffmann, Yaron Amouyal, Robert Kudrawiec, Wolfgang Heiss, Efrat Lifshitz (2020): Exfoliated CrPS4 with Promising Photoconductivity. Small Vol.16, Issue1. January 9, 2020.
Anastasia V. Tyurnina, Iakovos Tzanakis, Justin Morton, Jiawei Mi, Kyriakos Porfyrakis, Barbara M. Maciejewska, Nicole Grobert, Dmitry G. Eskin 2020): Ultrasonic exfoliation of graphene in water: A key parameter study. Carbon, Vol. 168, 2020.

Често задавани въпроси

Какво представлява еднослойният аморфен въглерод?

Еднослойният аморфен въглерод (MAC) е некристална форма на въглерода с дебелина един атом, обикновено синтезирана чрез химично отлагане от парна фаза (CVD) или други техники за отлагане на тънки слоеве. За разлика от графена, който има добре подредена хексагонална решетка, MAC няма далечен атомен порядък и показва неподредена, но еднородна структура на атомно ниво.

Какво представлява аморфният въглерод?

Аморфният въглерод (a-C) е некристална алотропна форма на въглерода, характеризираща се с липса на далечен периодичен атомен порядък. Той съдържа смес от sp² (графитно) и sp³ (диамантоподобно) хибридизирани въглеродни атоми, като свойствата му варират в зависимост от метода на отлагане и съдържанието на водород. Разновидностите включват хидрогениран аморфен въглерод (a-C:H), тетраедричен аморфен въглерод (ta-C) и диамантоподобен въглерод (DLC).

Предлага ли се еднослоен аморфен въглерод като обемен материал?

Не, еднослойният аморфен въглерод не се предлага като обемен материал поради своята двумерна природа. Той се синтезира като ултратънък слой върху подложки и не може да се произвежда в големи количества като самостоятелен обемен материал, подобно на графита или диаманта.

Каква е разликата между аморфния въглерод и кристалния въглерод?

Основната разлика е в подреждането на атомите. Кристалният въглерод (напр. графит, диамант) има ясно определена периодична решетка, докато аморфният въглерод няма далечен порядък. Тази структурна разлика влияе върху електронните, механичните и оптичните свойства – кристалните форми проявяват анизотропия и отчетливи зонни структури, докато аморфният въглерод има изотропни свойства и променлива електропроводимост.

Какви са формите на въглерода?

Въглеродът съществува в няколко алотропни форми, включително:

Кристални форми: диамант, графит, графен, въглеродни нанотръби (CNTs), фулерени (напр. C₆₀).
Аморфни форми: дървени въглища, сажди, технически въглерод, стъкловиден въглерод, диамантоподобен въглерод (DLC), еднослоен аморфен въглерод (MAC).
Хибридни наноструктури: нанодиаманти, въглеродни структури тип лук, въглеродни аерогелове и композити като хибриди от нановъглерод и метал.

Всяка форма проявява специфични физикохимични свойства, които са от значение за приложенията в материалознанието, електрониката и съхранението на енергия.