Dispersión ultrasónica del grafeno
Para incorporar grafeno a los materiales compuestos, es esencial dispersar o exfoliar el grafeno en nanoláminas individuales de manera uniforme en toda la formulación. Cuanto más a fondo se desaglomere el grafeno, mejor podrán aprovecharse sus extraordinarias propiedades como material. La dispersión ultrasónica ofrece una distribución de partículas y una estabilidad de dispersión superiores, incluso a altas concentraciones y viscosidades. Este método proporciona una calidad de dispersión excepcional, superando con creces las técnicas de mezcla convencionales.
Dispersión ultrasónica del grafeno
Para dotar a los materiales compuestos de las extraordinarias características del grafeno, como su resistencia, el grafeno debe dispersarse uniformemente en una matriz o aplicarse como recubrimiento de película fina sobre un sustrato. Los factores clave que influyen en las propiedades del material resultante son la aglomeración, la sedimentación y la dispersión dentro de la matriz o la distribución de las partículas sobre el sustrato.
Debido a la naturaleza hidrofóbica del grafeno, crear una dispersión estable y altamente concentrada sin tensioactivos ni dispersantes es todo un reto. Para superar las fuerzas de van der Waals se necesitan fuertes fuerzas de cizallamiento, que pueden generarse eficazmente mediante cavitación ultrasónica. Este método es el más sofisticado para preparar dispersiones estables.
Sonicadores industriales para la dispersión de alto rendimiento de grafeno.
Aquí encontrará más información y detalles técnicos sobre los sonicadores industriales tipo sonda de Hielscher para la exfoliación y dispersión de grafeno:
- UIP1000hdT (ultrasonidos de 1000 vatios de potencia)
- UIP2000hdT (ultrasonidos de 2000 vatios de potencia)
- UIP4000hdT (ultrasonidos de 4000 vatios de potencia)
- UIP6000hdT (ultrasonidos de 6000 vatios de potencia)
- UIP16000hdT (ultrasonido de 16.000 vatios de potencia)
Todos los sonicadores de Hielscher permiten un control preciso de todos los parámetros importantes del proceso, la tecnología de dispersión por ultrasonidos evita daños en las estructuras químicas y cristalinas del grafeno. – dando lugar a copos de grafeno prístinos y sin defectos.
Los potentes ultrasonidos de Hielscher son capaces de procesar grafeno y grafito en grandes volúmenes, por ejemplo, para la exfoliación en fase líquida y la dispersión de grafeno. El control exacto de los parámetros del proceso permite escalar sin fisuras los procesos ultrasónicos desde el laboratorio hasta la producción comercial.
El grafeno de pocas capas exfoliado por ultrasonidos con aproximadamente 3-4 capas y un tamaño aproximado de 1μm puede (re)dispersarse a concentraciones de al menos 63 mg/mL.
Imágenes SEM de nanoplaquetas de grafeno a (b) X3000 y (c) X8000
- grafeno de alta calidad
- alto rendimiento
- dispersión uniforme
- alta concentración
- viscosidades elevadas
- proceso rápido
- Bajo coste
- Alta eficiencia
- respetuoso con el medio ambiente
Reactor ultrasónico de 7 kW para dispersiones de grafeno
Homogeneizadores y dispersores ultrasónicos para grafeno
Hielscher Ultrasonics ofrece sistemas de ultrasonidos de alta potencia para exfoliar y dispersar grafeno y grafito a granel en grafeno monocapa, bicapa y multicapa. Sus fiables procesadores ultrasónicos y reactores avanzados ofrecen la potencia necesaria y un control preciso para alcanzar los objetivos específicos del proceso.
Uno de los parámetros de proceso más esenciales es la amplitud ultrasónica, que es el desplazamiento vibratorio en el cuerno ultrasónico. Los ultrasonidos industriales de Hielscher están diseñados para proporcionar amplitudes muy elevadas, con un funcionamiento continuo de hasta 200µm. Para amplitudes aún mayores, se dispone de sondas ultrasónicas personalizadas. Los parámetros de proceso de todos los sonicadores Hielscher pueden ajustarse con precisión a las condiciones de proceso requeridas y supervisarse mediante un software integrado, lo que garantiza una alta fiabilidad, una calidad constante y resultados reproducibles. El robusto diseño de los sonicadores Hielscher está pensado para funcionar las 24 horas del día, los 7 días de la semana, en entornos exigentes, lo que convierte a la sonicación en la tecnología preferida para la producción a gran escala de nanohojas de grafeno de una o varias capas.
Hielscher ofrece una amplia gama de ultrasonidos y accesorios, incluidos sonotrodos y reactores de distintos tamaños y geometrías. Esto permite seleccionar las condiciones y factores de reacción óptimos, como los reactivos, el aporte de energía ultrasónica por volumen, la presión, la temperatura y el caudal, para lograr la máxima calidad. Sus reactores ultrasónicos pueden presurizarse hasta varios cientos de barg, lo que hace factible la sonicación de pastas muy viscosas (hasta 250.000 centipoise).
Estas capacidades hacen que la delaminación, la exfoliación y la dispersión por ultrasonidos sean superiores a las técnicas convencionales de esmerilado y fresado.
Los sonicadores Hielscher son los homogeneizadores ultrasónicos más sofisticados del mercado. Aproveche las numerosas ventajas de los sonicadores Hielscher.
Gráfico que visualiza la síntesis ultrasónica de nanoplaquetas de grafeno utilizando el sonicador UP100H
Sonómetros Hielscher para grafeno:
- ultrasonidos de alta potencia
- fuerzas de cizallamiento elevadas
- altas presiones aplicables
- control preciso
- escalabilidad sin fisuras (lineal)
- por lotes y de flujo continuo
- resultados reproducibles
- fiabilidad
- robustez
- Alta eficiencia energética
Información interesante
¿Qué es el grafeno?
El grafeno es una capa de carbono de un átomo de espesor, que puede describirse como una estructura de una sola capa o 2D de grafeno (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 resistencia 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 un recubrimiento de película delgada sobre un sustrato.
Entre los disolventes habituales, que se suelen utilizar como fase líquida para dispersar las nanohojas de grafeno, se incluyen el dimetilsulfóxido (DMSO) , la N,N-dimetilformamida (DMF), la N-metil-2-pirrolidona (NMP), la tetrametilurea (TMU, Tetrahidrofurano (THF), el carbonato de propilenoacetona (PC), el etanol y la formamida.
¿Se puede dispersar el grafeno en el agua?
Sí, el grafeno puede dispersarse en agua utilizando tensioactivos, polímeros u otros agentes estabilizadores para evitar la agregación y mantener la estabilidad de la dispersión. Los equipos de dispersión fiables, como los sonicadores tipo sonda, también desempeñan un papel crucial en la dispersión del grafeno, ya que utilizan energía ultrasónica para romper los aglomerados y reducir el tamaño de las partículas de grafeno, favoreciendo una dispersión más uniforme y estable en el medio líquido.
¿Puede el óxido de grafeno disolverse en agua?
Sí, el óxido de grafeno puede disolverse en agua debido a sus grupos funcionales oxigenados, que potencian su hidrofilia y le permiten formar dispersiones acuosas estables.
¿Cuál es el mejor disolvente para dispersar el grafeno?
El mejor disolvente para dispersar el grafeno es la N-metil-2-pirrolidona (NMP) debido a su alta polaridad y a su capacidad para estabilizar las láminas de grafeno, lo que da lugar a una dispersión uniforme y estable.
¿Por qué el grafeno es insoluble en agua?
El grafeno es insoluble en agua porque carece de grupos funcionales que puedan interactuar con las moléculas de agua, lo que lo hace hidrófobo y propenso a la agregación debido a las fuertes fuerzas de Van der Waals entre las láminas de grafeno.
¿Por qué se utiliza el grafeno en los compuestos?
El grafeno es, con un grosor de un átomo, el más fino, con un peso aproximado de 0,77 mg por 1m2 el más ligero, y con una rigidez a la tracción de 150.000.000 psi (100-300 veces más fuerte que el acero) y una resistencia a la tracción de 130.000.000.000 Pascales 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 superior a 15.000 cm2-V-1-s-1).
Otra característica importante del grafeno es su propiedad óptica, con una absorción de luz del πα≈2,3% de la luz blanca, y su aspecto transparente.
Al incorporar grafeno a las matrices, esas extraordinarias características del material pueden transferirse al compuesto resultante, que ofrece funcionalidades únicas. Estos compuestos reforzados con grafeno ofrecen nuevas posibilidades para el desarrollo de materiales y aplicaciones industriales. Debido a sus características, el grafeno y los compuestos de grafeno ya están muy extendidos en la fabricación de baterías de alto rendimiento, supercondensadores, tintas conductoras, revestimientos, sistemas fotovoltaicos y dispositivos electrónicos...
Los sonicadores de Hielscher proporcionan las elevadas fuerzas de cizallamiento necesarias para superar las fuerzas de van der Waals y distribuir uniformemente las nanohojas de grafeno en matrices compuestas. Los dispersores ultrasónicos como el UIP2000hdT o el UIP16000 se utilizan para producir nanocompuestos reforzados con grafeno y óxido de grafeno.
Literatura/Referencias
- 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.
Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento de laboratorio a tamaño industrial.