Ultrazvučna disperzija grafena

Da bi se grafen ugradio u kompozite, neophodno je dispergirati ili eksfolirati grafen u pojedinačne nanolistove ravnomjerno u cijeloj formulaciji. Što se grafen temeljitije deaglomeriše, to se bolje mogu iskoristiti njegova izuzetna svojstva materijala. Ultrazvučna disperzija nudi vrhunsku raspodjelu čestica i stabilnost disperzije, čak i pri visokim koncentracijama i viskoznostima. Ova metoda pruža izvanredan kvalitet disperzije, daleko nadmašujući konvencionalne tehnike miješanja.

Ultrazvučna disperzija grafena

Da bi se kompozitima dala izvanredna svojstva grafena, kao što je njegova čvrstoća, grafen se mora ravnomjerno dispergirati u matricu ili nanijeti kao tankoslojni premaz na podlogu. Ključni faktori koji utiču na svojstva dobivenog materijala uključuju aglomeraciju, sedimentaciju te disperziju unutar matrice ili raspodjelu čestica na podlozi.
Zbog hidrofobne prirode grafena, izrada stabilne i visokokoncentrirane disperzije bez surfaktanata ili dispergatora je izazovna. Za savladavanje van der Waalsovih sila potrebne su jake smične sile, koje se mogu efikasno generisati ultrazvučnom kavitacijom. Ova metoda je najsofisticiranija za pripremu stabilnih disperzija.

MultiSonoReactor MSR-5 opremljen sa 5x sonikatora od 4kW za obradu grafena visokog protoka

Industrijski sonikatori za disperziju grafena visokog protoka.

Naučite kako proizvesti visokokvalitetni jednoslojni grafen ultrazvučnom eksfolijacijom pomoću sonikatora velike snage sa sondom. Sonikacija je jednostavna i efikasna metoda koja omogućava povećanje obima proizvodnje disperzija grafena uz visoke prinose i izvrstan kvalitet listova.

Upotrebom ultrazvučnog dispergatora, kao što su sonikator od 2kW UIP2000hdT, sonikator od 4kW UIP4000hdT, sonikator od 6kW UIP6000hdT ili sonikator od 16kW UIP16000hdT, moguće je jednostavno pripremiti grafen visoke električne provodljivosti (712 S·m-1), dobre disperznosti i visoke koncentracije. Ultrazvučna obrada (sonikacija) također omogućava pripremu stabilne disperzije grafena pri niskoj procesnoj temperaturi od približno 65°C.

Više informacija i tehničkih detalja o industrijskim sonikatorima sa sondom kompanije Hielscher za eksfolijaciju i disperziju grafena možete pronaći ovdje:

Svi Hielscher sonikatori omogućavaju preciznu kontrolu svih važnih procesnih parametara, a ultrazvučna tehnologija disperzije izbjegava oštećenja hemijske i kristalne strukture grafena – što rezultira netaknutim, bezdefektnim ljuspicama grafena.
Hielscher snažni ultrazvučni uređaji sposobni su obrađivati grafen i grafit u velikim količinama, npr. za eksfolijaciju u tekućoj fazi i disperziju grafena. Tačna kontrola procesnih parametara omogućava besprijekorno povećanje razmjera ultrazvučnih procesa od laboratorijskih uređaja do potpuno komercijalne proizvodnje.
Ultrazvučno eksfolirani grafen s malim brojem slojeva, s približno 3-4 sloja i približnom veličinom od 1μm, može se (ponovno) dispergirati pri koncentracijama od najmanje 63 mg/mL.

Grafenske nanopločice mogu se uspješno sintetizirati i dispergirati ultrazvučnom obradom.

SEM snimci grafenskih nanopločica pri (b) X3000 i (c) X8000
(Studija i slike: ©Alizadeh et al., 2018)

Prednosti:

grafen visokog kvaliteta
visok protok / visoki prinosi
ujednačena disperzija
visoka koncentracija
visoke viskoznosti
brz proces
niski troškovi
visoka efikasnost
ekološki prihvatljivo

Ultrazvučni sistem velike snage za dispergiranje (7x UIP1000hdT) za obradu grafena u industrijskim razmjerima. (Kliknite za uvećanje!)

Ultrazvučni reaktor od 7kW za disperzije grafena

Ultrazvučni homogenizatori i dispergatori za grafen

Hielscher Ultrasonics nudi ultrazvučne sisteme velike snage za eksfolijaciju i disperziju grafena i grafita u masivnim slojevima do mono-, bi- i višeslojnog grafena s malim brojem slojeva. Njihovi pouzdani ultrazvučni procesori i napredni reaktori pružaju potrebnu snagu i preciznu kontrolu za postizanje specifičnih procesnih ciljeva.

Jedan od najvažnijih procesnih parametara je ultrazvučna amplituda, odnosno vibracijski pomak na ultrazvučnoj sonotrodi. Hielscher industrijski ultrazvučni uređaji dizajnirani su da pružaju vrlo visoke amplitude, uz kontinuirani rad do 200µm. Za još više amplitude dostupne su prilagođene ultrazvučne sonde. Procesni parametri svih Hielscher sonikatora mogu se precizno podesiti prema potrebnim procesnim uslovima i pratiti putem ugrađenog softvera, što osigurava visoku pouzdanost, dosljedan kvalitet i ponovljive rezultate. Robustan dizajn Hielscher sonikatora izrađen je za rad 24/7 u zahtjevnim okruženjima, zbog čega je ultrazvučna obrada (sonikacija) poželjna tehnologija za proizvodnju mono- i višeslojnih grafenskih nanolistova velikih razmjera.

Hielscher nudi široku paletu ultrazvučnih uređaja i pribora, uključujući sonotrode i reaktore različitih veličina i geometrija. To omogućava odabir optimalnih reakcijskih uslova i faktora, kao što su reagensi, unos ultrazvučne energije po zapremini, pritisak, temperatura i protok, radi postizanja najvišeg kvaliteta. Njihovi ultrazvučni reaktori mogu se staviti pod pritisak do nekoliko stotina barg, što omogućava ultrazvučnu obradu (sonikaciju) vrlo viskoznih pasta (do 250.000 centipoaza).

Zahvaljujući tim mogućnostima, ultrazvučna delaminacija, eksfolijacija i disperzija superiorne su u odnosu na konvencionalne tehnike mrvljenja i mljevenja.

Najbolje sonikatore proizvodi Hielscher Ultrasonics. Ističu se snagom, najsavremenijom tehnologijom i pouzdanošću.

Hielscher sonikatori su najsofisticiraniji ultrazvučni homogenizatori na tržištu. Iskoristite brojne prednosti koje donose Hielscher sonikatori!

Eksfolijacija grafita pomoću sonikatora sa sondom UP100H dala je netaknute grafenske nanopločice

Grafika koja prikazuje ultrazvučnu sintezu grafenskih nanopločica pomoću sonikatora UP100H
(Studija i grafika: Ghanem i Rehim, 2018)

Hielscher sonikatori za grafen:

ultrazvuk velike snage
visoke smične sile
primjenjivi visoki pritisci
precizna kontrola
besprijekorna skalabilnost (linearna)
šaržni rad i protočni rad
ponovljivi rezultati
pouzdanost
robusnost
visoka energetska efikasnost

Povezane teme

Činjenice vrijedne znanja

Šta je grafen?

Grafen je sloj ugljika debljine jednog atoma, koji se može opisati kao jednoslojna ili 2D struktura grafena (jednoslojni grafen = SLG). Grafen ima izuzetno veliku specifičnu površinu i vrhunska mehanička svojstva (Youngov modul od 1 TPa i intrinzična čvrstoća od 130 GPa), nudi odličnu elektronsku i toplotnu provodljivost, pokretljivost nosilaca naboja, prozirnost i nepropustan je za gasove. Zbog tih karakteristika materijala, grafen se koristi kao aditiv za ojačanje kako bi kompozitima dao čvrstoću, provodljivost itd. Da bi se karakteristike grafena kombinirale s drugim materijalima, grafen se mora dispergirati u smjesu ili nanijeti kao tankoslojni premaz na podlogu.
Uobičajeni otapala, koja se često koriste kao tekuća faza za disperziju grafenskih nanolistova, uključuju dimetil sulfoksid (DMSO) , N,N-dimetilformamid (DMF), N-metil-2-pirolidon (NMP), tetrametilureu (TMU, tetrahidrofuran (THF), propylene carbonateacetone (PC), etanol i formamid.

Može li se grafen dispergirati u vodi?

Da, grafen se može dispergirati u vodi pomoću surfaktanata, polimera ili drugih stabilizirajućih sredstava kako bi se spriječila agregacija i održala stabilnost disperzije. Pouzdana oprema za dispergiranje, kao što su sonikatori sa sondom, također igra ključnu ulogu u disperziji grafena tako što koristi ultrazvučnu energiju za razbijanje aglomerata i smanjenje veličine čestica grafena, čime se promovira ujednačenija i stabilnija disperzija u tekućem mediju.

Može li se grafen oksid otopiti u vodi?

Da, grafen oksid se može otopiti u vodi zbog svojih funkcionalnih grupa koje sadrže kisik, a koje povećavaju njegovu hidrofilnost i omogućavaju mu da formira stabilne vodene disperzije.

Koje je najbolje otapalo za disperziju grafena?

Najbolje otapalo za disperziju grafena je N-metil-2-pirolidon (NMP) zbog svoje visoke polarnosti i sposobnosti stabilizacije grafenskih listova, što rezultira ujednačenom i stabilnom disperzijom.

Zašto je grafen netopiv u vodi?

Grafen je netopiv u vodi jer nema funkcionalnih grupa koje mogu stupati u interakciju s molekulama vode, zbog čega je hidrofoban i sklon agregaciji uslijed jakih van der Waalsovih sila između grafenskih listova.

Zašto se grafen koristi u kompozitima?

Grafen je sa debljinom od jednog atoma najtanji, sa težinom od približno 0,77 mg po 1m² najlakši, a sa zateznom krutošću od 150.000.000 psi (100–300 puta jači od čelika) i zateznom čvrstoćom od 130.000.000.000 paskala najjači poznati materijal.
Osim toga, grafen je najbolji toplotni vodič (na sobnoj temperaturi sa (4,84±0,44) × 10³ do (5,30±0,48) × 10³ W·m^-11·K^-1) i najbolji električni vodič (pokretljivost elektrona veća od 15.000 cm²·V^-1·s^-1).
Još jedna važna karakteristika grafena je njegovo optičko svojstvo s apsorpcijom svjetlosti od πα≈2,3% bijele svjetlosti, te njegov prozirni izgled.
Ugradnjom grafena u matrice, te izuzetne karakteristike materijala mogu se prenijeti na dobiveni kompozit, koji nudi jedinstvene funkcionalnosti. Takvi kompoziti ojačani grafenom nude nove mogućnosti za razvoj materijala i industrijske primjene. Zbog svojih karakteristika, grafen i grafenski kompoziti već su široko rasprostranjeni u proizvodnji visokoučinkovitih baterija, superkondenzatora, provodljivih mastila, premaza, fotonaponskih sistema i elektronskih uređaja
Hielscher sonikatori pružaju potrebne visoke smične sile za savladavanje van der Waalsovih sila kako bi se grafenski nanolistovi ravnomjerno rasporedili u matrice kompozita. Ultrazvučni dispergatori kao što su UIP2000hdT ili UIP16000 koriste se za proizvodnju nanokompozita ojačanih grafenom i grafen oksidom.

Literatura/reference

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.

Visokoučinkovit ultrazvuk! Hielscher asortiman proizvoda pokriva cijeli spektar od kompaktnih laboratorijskih ultrazvučnih uređaja preko stolnih jedinica do potpuno industrijskih ultrazvučnih sistema.

Hielscher Ultrasonics proizvodi visokoučinkovite ultrazvučne homogenizatore od laboratorijske do industrijske veličine.

Ultrazvučna disperzija grafena