Ultraschalldispergierung von einschichtigem amorphem Kohlenstoff (MAC) in Flüssigkeiten

Einschichtiger amorpher Kohlenstoff (MAC) ist ein neuartiges kohlenstoffbasiertes Nanomaterial mit außergewöhnlicher mechanischer Festigkeit, Flexibilität und Leitfähigkeit. Seine Einbindung in flüssige Matrizes ist entscheidend für Anwendungen in Hochleistungsverbundwerkstoffen, Energiespeichern, Beschichtungen und elektronischen Materialien. Aufgrund seiner starken Van-der-Waals-Wechselwirkungen und seiner Neigung zur Aggregation ist es jedoch schwierig, eine gleichmäßige und stabile Dispersion von MAC zu erzielen. Die Ultraschalldispergierung mit Sonotroden-Ultraschallgeräten von Hielscher bietet eine skalierbare und hocheffiziente Lösung, um MAC-Cluster aufzubrechen und eine homogene Verteilung in flüssigen Phasen sicherzustellen.

Herausforderungen bei der Dispergierung von MAC

Aufgrund seiner ultradünnen Struktur und hohen Oberflächenenergie aggregiert MAC beim Einbringen in ein flüssiges Medium von Natur aus zu mehrschichtigen Stapeln. Herkömmliche Misch- oder Scherverfahren können MAC häufig nicht wirksam dispergieren. Dies führt zu:

Geringer Homogenität in Verbundwerkstoffen
Beeinträchtigten mechanischen Eigenschaften aufgrund von Agglomeration
Begrenzter Skalierbarkeit des Prozesses

Ultraschallkavitation bietet ein nicht schädigendes, effizientes und skalierbares Verfahren, um dispergierten, einschichtigen MAC in verschiedenen Lösungsmitteln, Polymermatrizes und reaktiven Formulierungen zu erhalten.

Ultraschalldispergierung: Mechanismus und Vorteile

Sonotroden-Ultraschallgeräte erzeugen intensive akustische Kavitation in Flüssigkeiten, die lokal hohe Scherkräfte, Mikrostrahlen und Stoßwellen hervorruft. Diese extremen Bedingungen brechen MAC-Aggregate wirksam auf, entwirren die Nanoblätter und verteilen sie gleichmäßig. Zu den wesentlichen Vorteilen der Ultraschalldispergierung zählen:

Effiziente Exfoliation: Wandelt mehrschichtigen MAC in Einzelschichten um
Hohe Stabilität: Verhindert erneute Aggregation durch Optimierung der Wechselwirkungen von Tensiden und Lösungsmitteln
Skalierbarkeit des Prozesses: Geeignet für Forschung im Labormaßstab, Pilotproduktion und industrielle Fertigung im Großmaßstab
Kontrollierte Verarbeitung: Einstellbare Parameter (Amplitude, Zeit, Druck, Temperatur) ermöglichen die Optimierung für spezifische Anwendungen

Sonotroden-Ultraschallgeräte von Hielscher: Skalierbare Lösungen für die Dispergierung von MAC

Hielscher Ultrasonics bietet modernste Ultraschallprozessoren für die Dispergierung von MAC in jedem Maßstab – von kleinen Laborproben bis hin zu industriellen Inline-Prozessen im Großmaßstab. Die modularen und individuell anpassbaren Systeme bieten unübertroffene Präzision und Effizienz.

Das Video zeigt das Mischen und Dispergieren von Graphit in 250mL Epoxidharz (Toolcraft L) mittels Ultraschall mit einem Ultraschallhomogenisator (UP400St, Hielscher Ultrasonics). Hielscher Ultrasonics stellt Geräte zur Dispergierung von Graphit, Graphen, Kohlenstoffnanoröhren, Nanodrähten oder Füllstoffen im Labor oder in Produktionsprozessen mit großen Volumina her. Typische Anwendungen sind die Dispergierung von Nano- und Mikromaterialien während der Funktionalisierung oder deren Dispergierung in Harzen oder Polymeren.

Dispergierung von MAC im Labormaßstab

Für Forschung und Entwicklung bieten die Ultraschallgerätemodelle UP200Ht (200W) und UP400St (400W) von Hielscher eine präzise Kontrolle der Dispergierparameter. Diese Ultraschallgeräte ermöglichen:

Die Verarbeitung kleiner Chargen für schnelle Machbarkeitsstudien
Die Optimierung der Parameter zur Bestimmung der idealen Amplitude und Verarbeitungsdauer
Reproduzierbarkeit zur Verfeinerung der Formulierung

Produktion im Pilotmaßstab und mittleren Maßstab

Für die Produktion im Pilotmaßstab oder die industrielle Produktion in kleinem Maßstab bieten UIP1000hdT (1kW) und UIP2000hdT (2kW) eine höhere Leistung bei gleichzeitig fein abgestimmter Kontrolle der Dispersionsqualität. Zu ihren Merkmalen zählen:

Kontinuierliche Verarbeitung für einen höheren Durchsatz
Durchflusszellenreaktoren zur Inline-Dispergierung
Druckbeaufschlagbare Durchflusszellen ermöglichen die Verarbeitung unter erhöhtem Druck

Inline-Dispergierung im industriellen Maßstab

Für die Dispergierung großer MAC-Volumina ermöglichen die Baureihen UIP4000hdT, UIP6000hdT und UIP16000hdT von Hielscher (4kW–16kW pro Gerät) eine kontinuierliche Inline-Dispergierung und gewährleisten dabei Effizienz und Reproduzierbarkeit im industriellen Maßstab. Zu den Vorteilen zählen:

Hohe Verarbeitungskapazität: Ausgelegt für die Herstellung von Verbundwerkstoffen und Beschichtungen im Großmaßstab
Skalierbare modulare Bauweise: Mehrere Geräte können parallel betrieben werden
Prozessautomatisierung: Integration mit Sensoren und Steuerungssystemen zur Überwachung in Echtzeit

Wie erreiche ich eine optimale Dispergierung von einschichtigem amorphem Kohlenstoff?

Um die höchste Dispersionsqualität zu erreichen, müssen die wichtigsten Verarbeitungsparameter optimiert werden:

Amplitude: Höhere Amplituden erzeugen stärkere Kavitation und unterstützen dadurch die Exfoliation

Verarbeitungszeit: Längere Beschallungszeiten können die Dispergierung verbessern, müssen jedoch kontrolliert werden, um Materialabbau zu verhindern

Lösungsmittelauswahl: Die Wahl eines geeigneten Lösungsmittels verbessert die Stabilität und Dispergierbarkeit von MAC

Tenside/Stabilisatoren: Polymere, Tenside oder funktionelle Additive können die Stabilität von MAC-Dispersionen weiter verbessern

Die Ultraschalldispergierung mit Sonotroden-Ultraschallgeräten von Hielscher ist ein bewährtes, skalierbares und hocheffizientes Verfahren zur Verarbeitung von einschichtigem amorphem Kohlenstoff in Flüssigkeiten. Ob im kleinen Labormaßstab oder in der industriellen Großproduktion – Ultraschallgeräte von Hielscher gewährleisten homogene, stabile Dispersionen und erschließen damit das volle Potenzial von einschichtigem amorphem Kohlenstoff (MAC) für Hochleistungsverbundwerkstoffe der nächsten Generation, leitfähige Beschichtungen und durch Nanomaterialien verbesserte Produkte.

Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Anhaltspunkt für die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte:

Chargenvolumen	Volumenstrom	Empfohlene Geräte
0,5 bis 1,5mL	n.a.	VialTweeter
1 bis 500mL	10 bis 200mL/min	UP100H
10 bis 2000mL	20 bis 400mL/min	UP200Ht, UP400St
0,1 bis 20L	0,2 bis 4L/min	UIP2000hdT
10 bis 100L	2 bis 10L/min	UIP4000hdT
15 bis 150L	3 bis 15L/min	UIP6000hdT
n.a.	10 bis 100L/min	UIP16000hdT
n.a.	höher	Cluster aus UIP16000hdT

Warum Hielscher Ultrasonics?

hohe Effizienz
modernste Technologie
Zuverlässigkeit und Robustheit
einstellbare, präzise Prozesssteuerung
Chargen- und Inline-Betrieb
für jedes Volumen
intelligente Software
intelligente Funktionen (z. B. Programmierbarkeit, Datenprotokollierung, Fernsteuerung)
einfach und sicher zu bedienen
wartungsarm
CIP (Clean-in-Place)

Entwicklung, Fertigung und Beratung – Qualität Made in Germany

Ultraschallgeräte von Hielscher sind für ihre höchsten Qualitäts- und Konstruktionsstandards bekannt. Robustheit und einfache Bedienung ermöglichen die reibungslose Integration unserer Ultraschallgeräte in Industrieanlagen. Ultraschallgeräte von Hielscher bewältigen raue Bedingungen und anspruchsvolle Umgebungen mühelos.

Hielscher Ultrasonics ist ein ISO-zertifiziertes Unternehmen und legt besonderen Wert auf leistungsstarke Ultraschallgeräte mit modernster Technologie und Benutzerfreundlichkeit. Selbstverständlich sind Ultraschallgeräte von Hielscher CE-konform und erfüllen die Anforderungen von UL, CSA und RoHs.

Literatur / Referenzen

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.

Häufig gestellte Fragen

Was ist einschichtiger amorpher Kohlenstoff?

Einschichtiger amorpher Kohlenstoff (MAC) ist eine ein Atom dicke, nichtkristalline Form von Kohlenstoff, die typischerweise durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) oder andere Verfahren zur Dünnschichtabscheidung synthetisiert wird. Anders als Graphen, das ein wohlgeordnetes hexagonales Gitter besitzt, weist MAC keine atomare Fernordnung auf und zeigt auf atomarer Ebene eine ungeordnete, aber dennoch gleichmäßige Struktur.

Was ist amorpher Kohlenstoff?

Amorpher Kohlenstoff (a-C) ist eine nichtkristalline allotrope Form von Kohlenstoff, die durch das Fehlen einer periodischen atomaren Fernordnung gekennzeichnet ist. Er enthält eine Mischung aus sp²-hybridisierten (graphitischen) und sp³-hybridisierten (diamantähnlichen) Kohlenstoffatomen, wobei seine Eigenschaften je nach Abscheidungsverfahren und Wasserstoffgehalt variieren. Zu den Varianten zählen hydrierter amorpher Kohlenstoff (a-C:H), tetraedrischer amorpher Kohlenstoff (ta-C) und diamantähnlicher Kohlenstoff (DLC).

Ist einschichtiger amorpher Kohlenstoff als Volumenmaterial verfügbar?

Nein, einschichtiger amorpher Kohlenstoff ist aufgrund seiner zweidimensionalen Beschaffenheit nicht als Volumenmaterial verfügbar. Er wird als ultradünner Film auf Substraten synthetisiert und kann nicht wie Graphit oder Diamant in großen Mengen als freistehendes Volumenmaterial hergestellt werden.

Was ist der Unterschied zwischen amorphem Kohlenstoff und kristallinem Kohlenstoff?

Der wesentliche Unterschied liegt in der atomaren Anordnung. Kristalliner Kohlenstoff (z. B. Graphit, Diamant) besitzt ein klar definiertes periodisches Gitter, während amorpher Kohlenstoff keine Fernordnung aufweist. Dieser strukturelle Unterschied beeinflusst die elektronischen, mechanischen und optischen Eigenschaften – kristalline Formen zeigen Anisotropie und ausgeprägte Bandstrukturen, während amorpher Kohlenstoff isotrope Eigenschaften und eine variable elektrische Leitfähigkeit aufweist.

Welche Formen von Kohlenstoff gibt es?

Kohlenstoff liegt in mehreren allotropen Formen vor, darunter:

Kristalline Formen: Diamant, Graphit, Graphen, Kohlenstoffnanoröhren (CNTs), Fullerene (z. B. C₆₀).
Amorphe Formen: Holzkohle, Ruß, Industrieruß, glasartiger Kohlenstoff, diamantähnlicher Kohlenstoff (DLC), einschichtiger amorpher Kohlenstoff (MAC).
Hybride Nanostrukturen: Nanodiamanten, Kohlenstoffzwiebeln, Kohlenstoffaerogele und Verbundwerkstoffe wie Nanokohlenstoff-Metall-Hybride.

Jede Form weist spezifische physikochemische Eigenschaften auf, die für Anwendungen in der Materialwissenschaft, Elektronik und Energiespeicherung relevant sind.