Διασπορά γραφενίου με υπερήχους
Για την ενσωμάτωση του γραφενίου σε σύνθετα υλικά, είναι απαραίτητη η διασπορά ή η αποφολίδωσή του σε μεμονωμένα νανοφύλλα, ομοιόμορφα σε ολόκληρη τη σύνθεση. Όσο πληρέστερα αποσυσσωματώνεται το γραφένιο, τόσο καλύτερα μπορούν να αξιοποιηθούν οι εξαιρετικές ιδιότητές του ως υλικού. Η διασπορά με υπερήχους προσφέρει ανώτερη κατανομή σωματιδίων και σταθερότητα διασποράς, ακόμη και σε υψηλές συγκεντρώσεις και υψηλά ιξώδη. Αυτή η μέθοδος παρέχει εξαιρετική ποιότητα διασποράς, υπερβαίνοντας κατά πολύ τις συμβατικές τεχνικές ανάμειξης.
Διασπορά γραφενίου με υπερήχους
Για να προσδώσει στα σύνθετα υλικά τα εξαιρετικά χαρακτηριστικά του, όπως την αντοχή του, το γραφένιο πρέπει να διασπείρεται ομοιόμορφα μέσα σε μια μήτρα ή να εφαρμόζεται ως επίστρωση λεπτού υμενίου πάνω σε ένα υπόστρωμα. Στους βασικούς παράγοντες που επηρεάζουν τις ιδιότητες του προκύπτοντος υλικού περιλαμβάνονται η συσσωμάτωση, η καθίζηση και η διασπορά μέσα στη μήτρα ή η κατανομή των σωματιδίων πάνω στο υπόστρωμα.
Λόγω της υδρόφοβης φύσης του γραφενίου, η δημιουργία μιας σταθερής διασποράς υψηλής συγκέντρωσης χωρίς επιφανειοδραστικές ουσίες ή παράγοντες διασποράς είναι δύσκολη. Η υπερνίκηση των δυνάμεων van der Waals απαιτεί ισχυρές δυνάμεις διάτμησης, οι οποίες μπορούν να παραχθούν αποτελεσματικά μέσω σπηλαίωσης με υπερήχους. Αυτή η μέθοδος είναι η πλέον εξελιγμένη για την παρασκευή σταθερών διασπορών.
Βιομηχανικές συσκευές υπερήχων για τη διασπορά γραφενίου με υψηλή ικανότητα επεξεργασίας.
Με τη χρήση μιας συσκευής διασποράς υπερήχων, όπως η συσκευή υπερήχων UIP2000hdT των 2kW, η συσκευή υπερήχων UIP4000hdT των 4kW, η συσκευή υπερήχων UIP6000hdT των 6kW ή η συσκευή υπερήχων UIP16000hdT των 16kW, είναι δυνατή η εύκολη παρασκευή γραφενίου με υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα (712 S·m-1), καλή διασπορά και υψηλή συγκέντρωση. Η κατεργασία με υπερήχους επιτρέπει επίσης την παρασκευή μιας σταθερής διασποράς γραφενίου σε χαμηλή θερμοκρασία διεργασίας, περίπου 65°C.
Περισσότερες πληροφορίες και τεχνικές λεπτομέρειες σχετικά με τις βιομηχανικές συσκευές υπερήχων τύπου ακίδας της Hielscher για την αποφολίδωση και τη διασπορά γραφενίου μπορείτε να βρείτε εδώ:
- UIP1000hdT (υπέρηχοι ισχύος 1000 watts)
- UIP2000hdT (υπέρηχοι ισχύος 2000 watts)
- UIP4000hdT (υπέρηχοι ισχύος 4000 watts)
- UIP6000hdT (υπέρηχοι ισχύος 6000 watts)
- UIP16000hdT (υπέρηχοι ισχύος 16.000 watts)
Όλες οι συσκευές υπερήχων της Hielscher επιτρέπουν τον ακριβή έλεγχο όλων των σημαντικών παραμέτρων της διεργασίας, ενώ η τεχνολογία διασποράς με υπερήχους αποτρέπει την πρόκληση βλαβών στις χημικές και κρυσταλλικές δομές του γραφενίου – με αποτέλεσμα μη αλλοιωμένες νιφάδες γραφενίου χωρίς ατέλειες.
Οι ισχυρές συσκευές υπερήχων της Hielscher μπορούν να επεξεργάζονται γραφένιο και γραφίτη σε μεγάλους όγκους, π.χ. για αποφολίδωση σε υγρή φάση και διασπορά γραφενίου. Ο ακριβής έλεγχος των παραμέτρων της διεργασίας επιτρέπει την απρόσκοπτη κλιμάκωση των διεργασιών υπερήχων από την εργαστηριακή κλίμακα πάγκου έως την παραγωγή σε πλήρη εμπορική κλίμακα.
Το γραφένιο λίγων στρώσεων που έχει αποφολιδωθεί με υπερήχους, με περίπου 3–4 στρώσεις και μέγεθος περίπου 1μm, μπορεί να διασπαρεί ή να επαναδιασπαρεί σε συγκεντρώσεις τουλάχιστον 63 mg/mL.
Εικόνες SEM νανοπλακιδίων γραφενίου σε μεγέθυνση (b) X3000 και (c) X8000
(Μελέτη και εικόνες: ©Alizadeh et al., 2018)
- γραφένιο υψηλής ποιότητας
- υψηλή ικανότητα επεξεργασίας / υψηλές αποδόσεις
- ομοιόμορφη διασπορά
- υψηλή συγκέντρωση
- υψηλά ιξώδη
- ταχεία διεργασία
- χαμηλό κόστος
- υψηλή αποδοτικότητα
- φιλικότητα προς το περιβάλλον
Αντιδραστήρας υπερήχων 7kW για διασπορές γραφενίου
Ομογενοποιητές και συσκευές διασποράς υπερήχων για γραφένιο
Η Hielscher Ultrasonics παρέχει συστήματα υπερήχων υψηλής ισχύος για την απολέπιση και τη διασπορά συμπαγούς πολυστρωματικού γραφενίου και γραφίτη σε μονοστρωματικό, διστρωματικό και ολιγοστρωματικό γραφένιο. Οι αξιόπιστοι επεξεργαστές υπερήχων και οι προηγμένοι αντιδραστήρες της παρέχουν την απαραίτητη ισχύ και τον ακριβή έλεγχο για την επίτευξη συγκεκριμένων στόχων διεργασίας.
Μία από τις σημαντικότερες παραμέτρους διεργασίας είναι το πλάτος ταλάντωσης των υπερήχων, δηλαδή η μετατόπιση λόγω ταλάντωσης στο κέρας υπερήχων. Οι βιομηχανικές συσκευές υπερήχων της Hielscher έχουν σχεδιαστεί ώστε να παρέχουν πολύ υψηλά πλάτη ταλάντωσης, με συνεχή λειτουργία σε πλάτη έως και 200µm. Για ακόμη υψηλότερα πλάτη ταλάντωσης, διατίθενται ειδικά προσαρμοσμένοι ανιχνευτήρες υπερήχων. Οι παράμετροι διεργασίας όλων των συσκευών υπερήχων της Hielscher μπορούν να προσαρμόζονται με ακρίβεια στις απαιτούμενες συνθήκες διεργασίας και να παρακολουθούνται μέσω ενσωματωμένου λογισμικού, εξασφαλίζοντας υψηλή αξιοπιστία, σταθερή ποιότητα και αναπαραγώγιμα αποτελέσματα. Οι συσκευές υπερήχων της Hielscher διαθέτουν ανθεκτική κατασκευή, σχεδιασμένη για λειτουργία 24/7 σε απαιτητικά περιβάλλοντα, καθιστώντας την κατεργασία με υπερήχους την προτιμώμενη τεχνολογία για την παραγωγή μονοστρωματικών και ολιγοστρωματικών νανοφύλλων γραφενίου σε μεγάλη κλίμακα.
Η Hielscher προσφέρει μεγάλη ποικιλία συσκευών υπερήχων και παρελκομένων, συμπεριλαμβανομένων ηχοτροδίων και αντιδραστήρων διαφόρων μεγεθών και γεωμετριών. Αυτό επιτρέπει την επιλογή των βέλτιστων συνθηκών και παραγόντων αντίδρασης, όπως τα αντιδραστήρια, η εισαγόμενη ενέργεια υπερήχων ανά μονάδα όγκου, η πίεση, η θερμοκρασία και η παροχή, για την επίτευξη της υψηλότερης ποιότητας. Οι αντιδραστήρες υπερήχων της μπορούν να λειτουργούν υπό πίεση έως και αρκετών εκατοντάδων barg, καθιστώντας εφικτή την κατεργασία παστών υψηλού ιξώδους (έως και 250.000 centipoise) με υπερήχους.
Αυτές οι δυνατότητες καθιστούν τον διαχωρισμό των στρώσεων, την απολέπιση και τη διασπορά με υπερήχους ανώτερα από τις συμβατικές τεχνικές λειοτρίβησης και άλεσης.
Οι συσκευές υπερήχων της Hielscher είναι οι πιο προηγμένοι ομογενοποιητές υπερήχων στην αγορά. Επωφεληθείτε από τα πολυάριθμα πλεονεκτήματα που προσφέρουν οι συσκευές υπερήχων της Hielscher!
Γραφική απεικόνιση της σύνθεσης νανοπλακιδίων γραφενίου με υπερήχους με χρήση της συσκευής υπερήχων UP100H
(Μελέτη και γραφική απεικόνιση: Ghanem και Rehim, 2018)
Συσκευές υπερήχων της Hielscher για γραφένιο:
- υπέρηχοι υψηλής ισχύος
- υψηλές δυνάμεις διάτμησης
- δυνατότητα εφαρμογής υψηλών πιέσεων
- ακριβής έλεγχος
- απρόσκοπτη δυνατότητα κλιμάκωσης (γραμμική)
- λειτουργία κατά παρτίδες και συνεχούς ροής
- αναπαραγώγιμα αποτελέσματα
- αξιοπιστία
- ανθεκτικότητα
- υψηλή ενεργειακή απόδοση
Χρήσιμες πληροφορίες
Τι είναι το γραφένιο;
Το γραφένιο είναι ένα στρώμα άνθρακα πάχους ενός ατόμου, το οποίο μπορεί να περιγραφεί ως μονοστρωματική ή 2D δομή γραφενίου (μονοστρωματικό γραφένιο = SLG). Το γραφένιο έχει εξαιρετικά μεγάλη ειδική επιφάνεια και ανώτερες μηχανικές ιδιότητες (μέτρο ελαστικότητας Young 1 TPa και εγγενή αντοχή 130 GPa), προσφέρει υψηλή ηλεκτρονική και θερμική αγωγιμότητα, κινητικότητα φορέων φορτίου, διαφάνεια και είναι αδιαπέραστο από αέρια. Λόγω αυτών των χαρακτηριστικών του υλικού, το γραφένιο χρησιμοποιείται ως ενισχυτικό πρόσθετο για να προσδώσει στα σύνθετα υλικά την αντοχή του, την αγωγιμότητά του κ.λπ. Για να συνδυαστούν τα χαρακτηριστικά του γραφενίου με άλλα υλικά, το γραφένιο πρέπει να διασπαρεί στο μείγμα ή να εφαρμοστεί ως επίστρωση λεπτού υμενίου πάνω σε ένα υπόστρωμα.
Οι συνήθεις διαλύτες που χρησιμοποιούνται συχνά ως υγρή φάση για τη διασπορά νανοφύλλων γραφενίου περιλαμβάνουν το διμεθυλοσουλφοξείδιο (DMSO) , το N,N-διμεθυλοφορμαμίδιο (DMF), τη N-μεθυλο-2-πυρρολιδόνη (NMP), την τετραμεθυλουρία (TMU, το τετραϋδροφουράνιο (THF), το propylene carbonateacetone (PC), την αιθανόλη και το φορμαμίδιο.
Μπορεί το γραφένιο να διασπαρεί στο νερό;
Ναι, το γραφένιο μπορεί να διασπαρεί στο νερό με χρήση επιφανειοδραστικών ουσιών, πολυμερών ή άλλων σταθεροποιητικών παραγόντων για την αποτροπή της συσσωμάτωσης και τη διατήρηση της σταθερότητας της διασποράς. Ο αξιόπιστος εξοπλισμός διασποράς, όπως οι συσκευές υπερήχων τύπου ανιχνευτήρα, διαδραματίζει επίσης καθοριστικό ρόλο στη διασπορά του γραφενίου, χρησιμοποιώντας ενέργεια υπερήχων για τη διάσπαση των συσσωματωμάτων και τη μείωση του μεγέθους των σωματιδίων γραφενίου, προάγοντας μια πιο ομοιόμορφη και σταθερή διασπορά στο υγρό μέσο.
Μπορεί το οξείδιο του γραφενίου να διαλυθεί στο νερό;
Ναι, το οξείδιο του γραφενίου μπορεί να διαλυθεί στο νερό χάρη στις λειτουργικές ομάδες του που περιέχουν οξυγόνο, οι οποίες ενισχύουν την υδροφιλικότητά του και του επιτρέπουν να σχηματίζει σταθερές υδατικές διασπορές.
Ποιος είναι ο καλύτερος διαλύτης για τη διασπορά γραφενίου;
Ο καλύτερος διαλύτης για τη διασπορά γραφενίου είναι η Ν-μεθυλο-2-πυρρολιδόνη (NMP), λόγω της υψηλής πολικότητάς της και της ικανότητάς της να σταθεροποιεί τα φύλλα γραφενίου, με αποτέλεσμα μια ομοιόμορφη και σταθερή διασπορά.
Γιατί το γραφένιο είναι αδιάλυτο στο νερό;
Το γραφένιο είναι αδιάλυτο στο νερό επειδή δεν διαθέτει λειτουργικές ομάδες που μπορούν να αλληλεπιδράσουν με τα μόρια του νερού, γεγονός που το καθιστά υδρόφοβο και επιρρεπές στη συσσωμάτωση λόγω των ισχυρών δυνάμεων van der Waals μεταξύ των φύλλων γραφενίου.
Γιατί χρησιμοποιείται το γραφένιο σε σύνθετα υλικά;
Το γραφένιο είναι, με πάχος ενός ατόμου, το λεπτότερο, με βάρος περίπου 0,77 mg ανά 1m2 το ελαφρύτερο και, με δυσκαμψία σε εφελκυσμό 150.000.000 psi (100–300 φορές ισχυρότερο από τον χάλυβα) και αντοχή σε εφελκυσμό 130.000.000.000 Pascals, το ισχυρότερο γνωστό υλικό.
Επιπλέον, το γραφένιο είναι ο καλύτερος αγωγός θερμότητας (σε θερμοκρασία δωματίου με τιμές από (4,84±0,44) × 103 έως (5,30±0,48) × 103 W·m-11·K-1) και ο καλύτερος αγωγός ηλεκτρισμού (κινητικότητα ηλεκτρονίων μεγαλύτερη από 15.000 cm2·V-1·s-1).
Ένα άλλο σημαντικό χαρακτηριστικό του γραφενίου είναι η οπτική του ιδιότητα, με απορρόφηση φωτός ίση με πα≈2,3% του λευκού φωτός, καθώς και η διαφανής εμφάνισή του.
Με την ενσωμάτωση γραφενίου σε μήτρες, αυτές οι εξαιρετικές ιδιότητες του υλικού μπορούν να μεταφερθούν στο σύνθετο υλικό που προκύπτει, το οποίο προσφέρει μοναδικές λειτουργικότητες. Τέτοια σύνθετα υλικά ενισχυμένα με γραφένιο προσφέρουν νέες δυνατότητες για την ανάπτυξη υλικών και τις βιομηχανικές εφαρμογές. Λόγω των χαρακτηριστικών τους, το γραφένιο και τα σύνθετα υλικά με γραφένιο χρησιμοποιούνται ήδη ευρέως στην κατασκευή μπαταριών υψηλών επιδόσεων, υπερπυκνωτών, αγώγιμων μελανιών, επιστρώσεων, φωτοβολταϊκών συστημάτων και ηλεκτρονικών συσκευών
Οι συσκευές υπερήχων Hielscher παρέχουν τις απαιτούμενες υψηλές δυνάμεις διάτμησης για την υπερνίκηση των δυνάμεων van der Waals, ώστε τα νανοφύλλα γραφενίου να κατανέμονται ομοιόμορφα στις μήτρες των σύνθετων υλικών. Οι διασπορείς υπερήχων, όπως ο UIP2000hdT ή ο UIP16000, χρησιμοποιούνται για την παραγωγή νανοσύνθετων υλικών ενισχυμένων με γραφένιο και οξείδιο του γραφενίου.
Βιβλιογραφία/Αναφορές
- 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.
Η Hielscher Ultrasonics κατασκευάζει ομογενοποιητές υπερήχων υψηλών επιδόσεων από εργαστηριακή έως βιομηχανική κλίμακα.