Ultralydsdispersion af grafen
For at inkorporere grafen i kompositter er det vigtigt at sprede eller eksfoliere grafen i enkelte nano-ark ensartet i hele formuleringen. Jo mere grundigt grafen er deagglomereret, jo bedre kan dets ekstraordinære materialeegenskaber udnyttes. Ultralydsdispersion giver overlegen partikelfordeling og dispersionsstabilitet, selv ved høje koncentrationer og viskositeter. Denne metode giver enestående dispersionskvalitet, der langt overgår konventionelle blandingsteknikker.
Ultralydsdispersion af grafen
For at give kompositter de fremragende egenskaber ved grafen, såsom dets styrke, skal grafen dispergeres ensartet i en matrix eller påføres som en tyndfilmsbelægning på et substrat. Nøglefaktorer, der påvirker de resulterende materialeegenskaber, omfatter agglomerering, sedimentering og dispersionen inden for matrix- eller partikelfordelingen på substratet.
På grund af grafens hydrofobe karakter er det udfordrende at skabe en stabil og stærkt koncentreret dispersion uden overfladeaktive stoffer eller dispergeringsmidler. At overvinde van der Waals-kræfter kræver stærke forskydningskræfter, som effektivt kan genereres ved ultralydskavitation. Denne metode er den mest sofistikerede til fremstilling af stabile dispersioner.
[/one_third_last]
Mere information og tekniske detaljer om Hielscher industrielle sonde-type sonde-type sonikere til grafeneksfoliering og dispersion kan findes her:
- UIP1000hdT (1000 watt effekt ultralyd)
- UIP2000hdT (2000 watt effekt ultralyd)
- UIP4000hdT (4000 watt effekt ultralyd)
- UIP6000hdT (6000 watt effekt ultralyd)
- UIP16000hdT (16.000 watt effekt ultralyd)
Alle Hielscher sonikere giver mulighed for præcis kontrol over alle vigtige procesparametre, ultralydsdispersionsteknologien undgår skader på de kemiske og krystalstrukturer af grafen – hvilket resulterer i uberørte, fejlfri grafenflager.
Hielscher kraftfulde ultralydapparater er i stand til at behandle grafen og grafit i store mængder, f.eks. til eksfoliering af væskefase og grafendispersion. Den nøjagtige kontrol over procesparametrene giver mulighed for problemfri opskalering af ultralydsprocesser fra bordplade til fuldkommerciel produktion.
Ultralydseksfolieret fålags grafen med ca. 3-4 lag og en ca. størrelse på 1μm kan (re-)dispergeres ved koncentrationer på mindst 63 mg/ml.
- grafen af høj kvalitet
- Høj gennemstrømning / højt udbytte
- ensartet spredning
- høj koncentration
- høje viskositeter
- hurtig proces
- Billig
- Højeffektive
- miljøvenlig
Ultralydshomogenisatorer og dispergeringsmidler til grafen
Hielscher Ultrasonics leverer ultralydssystemer med høj effekt til eksfoliering og spredning af bulk-lags grafen og grafit til mono-, bi- og få-lags grafen. Deres pålidelige ultralydsprocessorer og avancerede reaktorer leverer den nødvendige kraft og præcise kontrol for at nå specifikke procesmål.
En af de mest essentielle procesparametre er ultralydsamplituden, som er vibrationsforskydningen ved ultralydshornet. Hielscher industrielle ultralydapparater er designet til at levere meget høje amplituder med kontinuerlig drift på op til 200 μm. For endnu højere amplituder er tilpassede ultralydssonder tilgængelige. Procesparametrene for alle Hielscher sonikere kan justeres præcist til de krævede procesforhold og overvåges via indbygget software, hvilket sikrer høj pålidelighed, ensartet kvalitet og reproducerbare resultater. Det robuste design af Hielscher sonikere er bygget til 24/7 drift i krævende miljøer, hvilket gør sonikering til den foretrukne teknologi til storstilet produktion af mono- og fålags grafen nanoark.
Hielscher tilbyder en bred vifte af ultralydapparater og tilbehør, herunder sonotroder og reaktorer i forskellige størrelser og geometrier. Dette giver mulighed for valg af optimale reaktionsbetingelser og faktorer, såsom reagenser, ultralydsenergiinput pr. volumen, tryk, temperatur og flowhastighed, for at opnå den højeste kvalitet. Deres ultralydsreaktorer kan sættes under tryk op til flere hundrede barg, hvilket gør sonikering af meget viskøse pastaer (op til 250.000 centipoise) mulig.
Disse egenskaber gør ultralydsdelaminering, eksfoliering og dispergering overlegen i forhold til konventionelle slibe- og fræseteknikker.
Hielscher Sonicators til grafen:
- ultralyd med høj effekt
- høje forskydningskræfter
- Højt tryk gældende
- Præcis kontrol
- Problemfri skalerbarhed (lineær)
- batch og gennemstrømning
- reproducerbare resultater
- pålidelighed
- Robusthed
- høj energieffektivitet
Fakta, der er værd at vide
Hvad er grafen?
Grafen er et et-atom-tykt lag af kulstof, som kan beskrives som en enkeltlags eller 2D-struktur af grafen (enkeltlags grafen = SLG). Grafen har et ekstraordinært stort specifikt overfladeareal og overlegne mekaniske egenskaber (Youngs modul på 1 TPa og iboende styrke på 130 GPa), tilbyder stor elektronisk og termisk ledningsevne, ladningsbærermobilitet, gennemsigtighed og er uigennemtrængelig for gasser. På grund af disse materialeegenskaber bruges grafen som forstærkende additiv for at give kompositter dets styrke, ledningsevne osv. For at kombinere grafens egenskaber med andre materialer skal grafen dispergeres i forbindelsen eller påføres som en tyndfilmsbelægning på et substrat.
Almindelige opløsningsmidler, som ofte bruges som flydende fase til at sprede grafen-nanoark, omfatter dimethylsulfoxid (DMSO), N,N-dimethylformamid (DMF), N-methyl-2-pyrrolidon (NMP), Tetramethylurinstof (TMU, Tetrahydrofuran (THF), propylencarbonateacetone (PC), ethanol og formamid.
Kan grafen dispergeres i vand?
Ja, grafen kan dispergeres i vand ved hjælp af overfladeaktive stoffer, polymerer eller andre stabiliseringsmidler for at forhindre aggregering og opretholde dispersionsstabilitet. Pålideligt dispergeringsudstyr såsom sonde-type sondeapparater spiller også en afgørende rolle i grafendispersion ved at bruge ultralydsenergi til at nedbryde agglomerater og reducere størrelsen af grafenpartikler, hvilket fremmer en mere ensartet og stabil dispersion i det flydende medium.
Kan grafenoxid opløses i vand?
Ja, grafenoxid kan opløses i vand på grund af dets iltholdige funktionelle grupper, som forbedrer dets hydrofilicitet og gør det muligt at danne stabile vandige dispersioner.
Hvad er det bedste opløsningsmiddel til at sprede grafen?
Det bedste opløsningsmiddel til at dispergere grafen er N-methyl-2-pyrrolidon (NMP) på grund af dets høje polaritet og evne til at stabilisere grafenplader, hvilket resulterer i en ensartet og stabil dispersion.
Hvorfor er grafen uopløseligt i vand?
Grafen er uopløseligt i vand, fordi det mangler funktionelle grupper, der kan interagere med vandmolekyler, hvilket gør det hydrofobt og tilbøjeligt til aggregering på grund af stærke van der Waals-kræfter mellem grafenplader.
Hvorfor bruges grafen i kompositter?
Grafen er med en tykkelse på et atom den tyndeste, med en vægt på ca. 0,77 mg pr. 1 m2 den letteste og med en trækstivhed på 150.000.000 psi (100-300 gange stærkere end stål) og en trækstyrke på 130.000.000.000 Pascal det stærkeste materiale, der kendes.
Desuden er grafen den bedste termiske leder (ved stuetemperatur med (4,84±0,44) × 103 til (5.30±0.48) × 103 W·m-11· K-1) og den bedste elektriske leder (elektronmobilitet højere end 15.000 cm2· V-1·s-1).
En anden vigtig egenskab ved grafen er dens optiske egenskab med en lysabsorption ved πα≈2,3% hvidt lys og dets gennemsigtige udseende.
Ved at inkorporere grafen i matricer kan disse fremragende materialeegenskaber overføres til den resulterende komposit, som tilbyder unikke funktionaliteter. Sådanne grafenforstærkede kompositter giver nye muligheder for materialeudvikling og industrielle anvendelser. På grund af dets egenskaber er grafen og grafen-kompositter allerede vidt udbredt inden for fremstilling af højtydende batterier, superkondensatorer, ledende blæk, belægninger, solcelleanlæg og elektroniske enheder
Hielscher sonikere leverer de nødvendige høje forskydningskræfter til at overvinde van der Waals-kræfter for at distribuere grafen-nanoark ensartet i sammensatte matricer. Ultralydsdispergeringsmidler såsom UIP2000hdT eller UIP16000 bruges til at producere grafen- og grafenoxidforstærkede nanokompositter.
Litteratur/Referencer
- 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.