Hielscher – Tecnología de Ultrasonidos

Dispersión de grafeno por ultrasonidos

  • Para incorporar el grafeno en los compuestos, el grafeno debe ser dispersado/exfoliado como nano-hojas individuales de manera uniforme en la formulación. Cuanto mayor sea el grado de desagregación, mejores serán las extraordinarias propiedades del material.
  • La dispersión ultrasónica permite una distribución de partículas y una estabilidad de dispersión superiores. – incluso cuando se formula a altas concentraciones y viscosidades.
  • El procesamiento ultrasónico del grafeno proporciona excelentes cualidades de dispersión y supera con creces los métodos convencionales de mezcla.

Dispersión de grafeno por ultrasonidos

Para dar a los compuestos las excelentes características de material del grafeno, como la resistencia, el grafeno debe dispersarse en una matriz o aplicarse como capa de película delgada sobre un sustrato. La aglomeración, la sedimentación y la dispersión en una matriz (o distribución de partículas en el sustrato, respectivamente) son factores importantes que influyen en las propiedades del material resultante.
Debido a su naturaleza hidrofóbica, la preparación de una dispersión de grafeno estable y altamente concentrada sin tensioactivos ni dispersantes es una tarea difícil. Para superar las fuerzas de van der Waals, las fuertes fuerzas de cizallamiento generadas por cavitación ultrasónica son el método más sofisticado para preparar dispersiones estables.
Grafeno de alta conductividad eléctrica (712 S-m-1), una buena dispersión y una alta concentración pueden prepararse fácilmente utilizando un dispersor ultrasónico, como por ejemplo UIP2000hdT o UIP4000. La sonicación permite preparar una dispersión estable de grafeno a baja temperatura de proceso de aprox. 65°C.

Nanoplacas de óxido de grafeno exfoliado por ultrasonido (Oh et al. 2010)

Imagen SEM de nanohojas de grafeno dispersas por ultrasonidos

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Dado que los parámetros del proceso de sonicación pueden ser controlados con precisión, la tecnología de dispersión ultrasónica evita daños en las estructuras químicas y cristalinas del grafeno. – resultando en escamas de grafeno prístinas y libres de defectos.
Los potentes sistemas de ultrasonidos de Hielscher son capaces de procesar grafito y grafito en grandes volúmenes, por ejemplo, para exfoliación en fase líquida y dispersión de grafito. El control exacto de los parámetros de proceso permite la escalabilidad sin fisuras de los procesos ultrasónicos desde la mesa de trabajo hasta la producción comercial completa.
El grafeno de pocas capas exfoliado ultrasónicamente con aproximadamente 3-4 capas y un tamaño aproximado de 1μm puede ser (re)dispersado a concentraciones de al menos 63 mg/mL.

Ventajas:

  • grafeno de alta calidad
  • Exfoliación de grafeno con dispersor ultrasónico UP400St

  • gran rendimiento
  • dispersión uniforme
  • alta concentración
  • altas viscosidades
  • proceso rápido
  • Bajo coste
  • alto rendimiento
  • muy eficiente
  • Respetuoso con el medio ambiente
Sistema de dispersión ultrasónico de alta potencia (7x UIP1000hdT) para procesar grafeno a escala industrial. (Haga clic para ampliar!)

Reactor ultrasónico de 7kW para dispersiones de grafeno

Sistemas de Dispersión Ultrasónica

Hielscher Ultrasonics ofrece sistemas ultrasónicos de alta potencia para la exfoliación y dispersión de grafito y grafito a granel en grafito de una, dos y pocas capas. Los fiables procesadores ultrasónicos y los sofisticados reactores proporcionan la potencia necesaria, las condiciones de proceso y un control preciso, de modo que los resultados del proceso ultrasónico pueden ajustarse exactamente a los objetivos de proceso deseados.
Uno de los parámetros más importantes del proceso es la amplitud ultrasónica (el desplazamiento vibratorio en la bocina ultrasónica). Hielscher's sistemas industriales de ultrasonidos están construidos para ofrecer amplitudes muy altas. Amplitudes de hasta 200µm pueden ser fácilmente ejecutadas de forma continua en funcionamiento 24 horas al día, 7 días a la semana. Para amplitudes aún mayores, Hielscher ofrece sondas de ultrasonidos personalizadas. Todos nuestros procesadores de ultrasonidos se pueden ajustar exactamente a las condiciones de proceso requeridas y se pueden controlar fácilmente mediante el software integrado. Esto garantiza la máxima fiabilidad, una calidad constante y resultados reproducibles. La robustez de los equipos de ultrasonidos de Hielscher permite un funcionamiento ininterrumpido en entornos de trabajo pesado y exigentes. Esto hace de la sonicación la tecnología de producción preferida para la preparación a gran escala de nanohojas de grafeno de una y pocas capas.
Ofreciendo una amplia gama de productos de ultrasonidos y accesorios (como sonotrodos y reactores con diversos tamaños y geometrías), se pueden elegir las condiciones y factores de reacción más adecuados (por ejemplo, reactivos, energía ultrasónica por volumen, presión, temperatura, caudal, etc.) para obtener la máxima calidad. Dado que nuestros reactores ultrasónicos pueden presurizarse hasta varios cientos de barg, la sonicación de pastas altamente viscosas con hasta 250.000 centipoise no es un problema para los sistemas ultrasónicos de Hielscher.
Debido a estos factores, la delaminación / exfoliación y dispersión por ultrasonidos supera las técnicas convencionales de molienda y molienda.

Hielscher Ultrasonics

  • Ultrasonido de alta potencia
  • elevadas fuerzas transversales
  • altas presiones aplicables
  • control preciso
  • Escalabilidad sin fisuras (lineal)
  • lote y flujo a través de
  • resultados reproducibles
  • fiabilidad
  • robustez
  • Alta eficiencia energética

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Información interesante

grafeno

El grafeno es una capa de carbono de un átomo de espesor, que puede describirse como una estructura de grafeno de una sola capa o 2D (grafeno de una sola capa = SLG). El grafeno tiene una superficie específica extraordinariamente grande y propiedades mecánicas superiores (módulo de Young de 1 TPa y fuerza intrínseca de 130 GPa), ofrece una gran conductividad electrónica y térmica, movilidad del portador de carga, transparencia y es impermeable a los gases. Debido a estas características del material, el grafeno se utiliza como aditivo de refuerzo para dar a los compuestos su resistencia, conductividad, etc. Para combinar las características del grafeno con otros materiales, el grafeno debe dispersarse en el compuesto o aplicarse como capa de película delgada sobre un sustrato.
Los disolventes comunes, que a menudo se utilizan como fase líquida para dispersar las nanohojas de grafeno, incluyen el dimetilsulfóxido (DMSO), N,N-dimetilformamida (DMF), N-metil-2-pirrolidona (NMP), tetrametiltlúrea (TMU, tetrahidrofurano (THF), carbonato de propileno acetona (PC), etanol y formamida.

¿Por qué compuestos basados en gráficos?

El grafeno es con un grosor de un átomo el más fino, con un peso de aprox. 0,77 mg por 1 m.2 el más ligero, y con una rigidez a la tracción de 150.000.000.000 psi (100-300 veces más fuerte que el acero) y una resistencia a la tracción de 130.000.000.000.000 Pascals el material más fuerte conocido. Además, el grafeno es el mejor conductor térmico (a temperatura ambiente con (4,84±0,44) × 103 a (5,30±0,48) × 103 W-m-11·K-1) y el mejor conductor eléctrico (movilidad de electrones de hasta 15.000 cm2-·V-1-·s-1). Otra característica importante del grafeno es su propiedad óptica con una absorción de la luz de πα≈2,3% de luz blanca, y su aspecto transparente.
Mediante la incorporación de grafeno en las matrices, esas características sobresalientes del material pueden transferirse al compuesto resultante, que ofrece funcionalidades únicas. Estos compuestos reforzados con gráficos ofrecen nuevas posibilidades para el desarrollo de materiales y aplicaciones industriales. Debido a sus características, el grafeno y los compuestos de grafito ya están muy extendidos en la fabricación de baterías de alto rendimiento, supercondensadores, tintas conductoras, recubrimientos, sistemas fotovoltaicos y dispositivos electrónicos.
Los potentes procesadores ultrasónicos de Hielscher suministran las fuerzas de alto cizallamiento necesarias para superar las fuerzas de van der Waals y distribuir las nanoplacas de grafeno de forma uniforme en matrices compuestas. Dispersores ultrasónicos como el UIP2000hdT o UIP16000 se utilizan para producir nanocompuestos reforzados con óxido de grafeno y grafeno.