Ултразвуково диспергиране на графен
За включването на графен в композити е необходимо той да бъде диспергиран или ексфолиран до отделни нанолистове, равномерно разпределени в цялата композиция. Колкото по-пълна е деагломерацията на графена, толкова по-добре могат да се използват изключителните му материални свойства. Ултразвуковото диспергиране осигурява превъзходно разпределение на частиците и стабилност на дисперсията дори при високи концентрации и вискозитети. Този метод осигурява изключително качество на диспергиране, което далеч превъзхожда конвенционалните техники за смесване.
Ултразвуково диспергиране на графен
За да придобият композитите изключителните характеристики на графена, като например неговата якост, графенът трябва да бъде равномерно диспергиран в матрица или нанесен като тънкослойно покритие върху подложка. Основните фактори, влияещи върху свойствата на получения материал, включват агломерацията, седиментацията и диспергирането в матрицата или разпределението на частиците върху подложката.
Поради хидрофобната природа на графена създаването на стабилна и силно концентрирана дисперсия без повърхностноактивни вещества или диспергиращи агенти е трудно. Преодоляването на силите на Ван дер Ваалс изисква големи сили на срязване, които могат ефективно да се генерират чрез ултразвукова кавитация. Този метод е най-усъвършенстваният за приготвяне на стабилни дисперсии.
Промишлени ултразвукови процесори за диспергиране на графен с висока производителност.
С помощта на ултразвуков диспергатор, като например ултразвуковия процесор UIP2000hdT с мощност 2kW, UIP4000hdT с мощност 4kW, UIP6000hdT с мощност 6kW или UIP16000hdT с мощност 16kW, е възможно лесно да се приготви графен с висока електропроводимост (712 S·m-1), добра дисперсност и висока концентрация. Ултразвуковата обработка позволява също приготвянето на стабилна дисперсия на графен при ниска температура на процеса от приблизително 65°C.
Повече информация и технически подробности за промишлените ултразвукови процесори със сонда на Hielscher за ексфолиране и диспергиране на графен можете да намерите тук:
- UIP1000hdT (мощен ултразвук с мощност 1000 вата)
- UIP2000hdT (мощен ултразвук с мощност 2000 вата)
- UIP4000hdT (мощен ултразвук с мощност 4000 вата)
- UIP6000hdT (мощен ултразвук с мощност 6000 вата)
- UIP16000hdT (мощен ултразвук с мощност 16 000 вата)
Всички ултразвукови процесори на Hielscher позволяват прецизен контрол върху всички важни параметри на процеса, а технологията за ултразвуково диспергиране предотвратява увреждането на химичната и кристалната структура на графена – в резултат се получават неповредени графенови люспи без дефекти.
Мощните ултразвукови процесори на Hielscher могат да обработват графен и графит в големи обеми, например за ексфолиране в течна фаза и диспергиране на графен. Прецизният контрол върху параметрите на процеса позволява безпроблемно мащабиране на ултразвуковите процеси от настолни системи до пълномащабно търговско производство.
Ексфолираният чрез ултразвук малкослоен графен с приблизително 3–4 слоя и приблизителен размер 1μm може да бъде диспергиран или повторно диспергиран при концентрации от поне 63 mg/mL.
Изображения от сканираща електронна микроскопия (SEM) на графенови нанопластинки при увеличение (b) X3000 и (c) X8000
(Изследване и изображения: ©Alizadeh et al., 2018)
- висококачествен графен
- висока производителност / високи добиви
- равномерно диспергиране
- висока концентрация
- високи вискозитети
- бърз процес
- ниски разходи
- висока ефективност
- щадящ околната среда
Ултразвуков реактор с мощност 7kW за дисперсии на графен
Ултразвукови хомогенизатори и диспергатор за графен
Hielscher Ultrasonics предлага ултразвукови системи с висока мощност за ексфолиране и диспергиране на обемни слоести материали от графен и графит до еднослоен, двуслоен и малкослоен графен. Надеждните ултразвукови процесори и усъвършенстваните реактори на компанията осигуряват необходимата мощност и прецизен контрол за постигане на конкретните цели на процеса.
Един от най-важните параметри на процеса е ултразвуковата амплитуда, която представлява вибрационното изместване на сонотрода. Промишлените ултразвукови процесори на Hielscher са проектирани да осигуряват много високи амплитуди при непрекъсната работа с амплитуда до 200µm. За още по-високи амплитуди се предлагат ултразвукови сонди, изработени по поръчка. Параметрите на процеса на всички ултразвукови процесори на Hielscher могат да се настройват прецизно според необходимите условия на процеса и да се наблюдават чрез вграден софтуер, което осигурява висока надеждност, постоянно качество и възпроизводими резултати. Здравата конструкция на ултразвуковите процесори на Hielscher е предназначена за работа 24/7 в тежки условия, което прави ултразвуковата обработка предпочитаната технология за широкомащабно производство на еднослойни и малкослойни графенови нанолистове.
Hielscher предлага широка гама от ултразвукови процесори и принадлежности, включително сонотроди и реактори с различни размери и геометрии. Това позволява избор на оптимални реакционни условия и фактори, като реагенти, вложена ултразвукова енергия на единица обем, налягане, температура и дебит, за постигане на най-високо качество. Ултразвуковите реактори на компанията могат да работят под налягане до няколкостотин barg, което прави възможна ултразвуковата обработка на силно вискозни пасти (до 250 000 сантипоаза).
Тези възможности правят ултразвуковото разслояване, ексфолиране и диспергиране по-добри от конвенционалните техники за смилане и фино смилане.
Ултразвуковите процесори на Hielscher са най-усъвършенстваните ултразвукови хомогенизатори на пазара. Възползвайте се от многобройните предимства на ултразвуковите процесори на Hielscher!
Графика, представяща ултразвуковия синтез на графенови нанопластинки с помощта на ултразвуковия процесор UP100H
(Изследване и графика: Ghanem and Rehim, 2018)
Ултразвукови процесори на Hielscher за графен:
- ултразвук с висока мощност
- големи сили на срязване
- възможност за прилагане на високи налягания
- прецизен контрол
- безпроблемно мащабиране (линейно)
- периодична и проточна обработка
- възпроизводими резултати
- надеждност
- здравина
- висока енергийна ефективност
Полезни факти
Какво представлява графенът?
Графенът е слой от въглерод с дебелина един атом, който може да бъде описан като еднослойна или 2D структура на графен (еднослоен графен = SLG). Графенът има изключително голяма специфична повърхност и превъзходни механични свойства (модул на Юнг 1 TPa и присъща якост 130 GPa), осигурява отлична електропроводимост и топлопроводност, подвижност на носителите на заряд и прозрачност и е непроницаем за газове. Поради тези материални характеристики графенът се използва като армираща добавка, за да придаде на композитите своята якост, проводимост и т.н. За да се съчетаят характеристиките на графена с други материали, графенът трябва да бъде диспергиран в сместа или да бъде нанесен като тънкослойно покритие върху подложка.
Често срещаните разтворители, които се използват като течна фаза за диспергиране на графенови нанолистове, включват диметилсулфоксид (DMSO) , N,N-диметилформамид (DMF), N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), тетраметилурея (TMU, тетрахидрофуран (THF), propylene carbonateacetone (PC), етанол и формамид.
Може ли графенът да се диспергира във вода?
Да, графенът може да се диспергира във вода с помощта на повърхностноактивни вещества, полимери или други стабилизиращи агенти, които предотвратяват агрегацията и поддържат стабилността на дисперсията. Надеждното оборудване за диспергиране, като ултразвуковите процесори със сонда, също играе решаваща роля при диспергирането на графен, като използва ултразвукова енергия за разрушаване на агломератите и намаляване на размера на графеновите частици, подпомагайки по-равномерното и стабилно диспергиране в течната среда.
Може ли графеновият оксид да се разтвори във вода?
Да, графеновият оксид може да се разтвори във вода благодарение на своите кислородсъдържащи функционални групи, които повишават хидрофилността му и му позволяват да образува стабилни водни дисперсии.
Кой е най-добрият разтворител за диспергиране на графен?
Най-добрият разтворител за диспергиране на графен е N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) поради високата си полярност и способността си да стабилизира графеновите листове, което води до равномерна и стабилна дисперсия.
Защо графенът е неразтворим във вода?
Графенът е неразтворим във вода, защото няма функционални групи, които могат да взаимодействат с водните молекули, което го прави хидрофобен и склонен към агрегация поради силните сили на Ван дер Ваалс между графеновите листове.
Защо графенът се използва в композити?
Графенът е най-тънкият известен материал с дебелина един атом, при тегло приблизително 0,77 mg на 1m2 е най-лекият, а при коравина на опън 150 000 000 psi (100–300 пъти по-здрав от стоманата) и якост на опън 130 000 000 000 паскала е най-здравият известен материал.
Освен това графенът е най-добрият топлопроводник (при стайна температура с (4,84±0,44) × 103 до (5,30±0,48) × 103 W·m-11·K-1) и най-добрият електропроводник (подвижност на електроните над 15 000 cm2·V-1·s-1).
Друга важна характеристика на графена е неговото оптично свойство с поглъщане на πα≈2,3% от бялата светлина и прозрачният му вид.
Чрез включването на графен в матрици тези изключителни материални характеристики могат да бъдат пренесени върху получения композит, който предлага уникални функционалности. Такива композити, армирани с графен, предлагат нови възможности за разработване на материали и промишлени приложения. Благодарение на своите характеристики графенът и графеновите композити вече се използват широко в производството на високоефективни батерии, суперкондензатори, проводими мастила, покрития, фотоволтаични системи и електронни устройства
Ултразвуковите процесори на Hielscher осигуряват необходимите големи сили на срязване за преодоляване на силите на Ван дер Ваалс, за да се разпределят графеновите нанолистове равномерно в композитните матрици. Ултразвукови диспергатори като UIP2000hdT или UIP16000 се използват за производство на нанокомпозити, армирани с графен и графенов оксид.
Литература/Източници
- FactSheet: Ultrasonic Graphene Exfoliation and Dispersion – Hielscher Ultrasonics – english version
- FactSheet: Exfoliación y Dispersión de Grafeno por Ultrasonidos – Hielscher Ultrasonics – spanish version
- Ivanov R., Hussainova I., Aghayan M., Petrov M. (2014): Graphene Coated Alumina Nanofibres as Zirconia Reinforcement. 9th International DAAAM Baltic Conference of industrial Engineering 24-26 April 2014, Tallinn, Estonia.
- 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.
- Štengl V., Henych J., Slušná M., Ecorchard P. (2014): Ultrasound exfoliation of inorganic analogues of graphene. Nanoscale Research Letters 9(1), 2014.
Hielscher Ultrasonics произвежда високоефективни ултразвукови хомогенизатори с размери от лабораторни до промишлени.