Dispersión ultrasónica del grafeno
- Para incorporar grafeno a los materiales compuestos, el grafeno debe dispersarse/exfoliarse como nanoláminas individuales de manera uniforme en la formulación. Cuanto mayor sea el grado de desaglomeración, mejor se aprovecharán las extraordinarias propiedades del material.
- La dispersión ultrasónica permite una distribución de partículas y una estabilidad de dispersión superiores – incluso cuando se formulan a altas concentraciones y viscosidades.
- El procesamiento ultrasónico del grafeno proporciona unas cualidades de dispersión extraordinarias y supera con creces a los métodos 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 en una matriz o aplicarse como recubrimiento de película fina sobre un sustrato. La aglomeración, la sedimentación y la dispersión en una matriz (o la distribución de las partículas en el sustrato, respectivamente) son factores importantes que influyen en las propiedades del material resultante.
Debido a su naturaleza hidrófoba, la preparación de una dispersión estable y altamente concentrada de grafeno sin tensioactivos ni dispersantes es una tarea difícil. Para superar las fuerzas de van der Waals, se necesitan fuertes fuerzas de cizallamiento generadas por Cavitación ultrasónica son el método más sofisticado para preparar dispersiones estables.
Grafeno con una elevada conductividad eléctrica (712 S-m-1), buena dispersidad y 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 una temperatura de proceso baja de aproximadamente 65°C.
Los potentes sistemas ultrasónicos 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.
Sistemas de dispersión por ultrasonidos
Hielscher Ultrasonics ofrece sistemas de ultrasonidos de alta potencia para la exfoliación y dispersión de grafeno y grafito en monocapa, bicapa y multicapa. Los fiables procesadores ultrasónicos y los sofisticados reactores proporcionan la potencia y las condiciones de proceso necesarias, así como un control preciso, para que los resultados del proceso ultrasónico puedan ajustarse exactamente a los objetivos del proceso deseados.
Uno de los parámetros más importantes del proceso es la amplitud ultrasónica (el desplazamiento vibratorio en el cuerno ultrasónico). Hielscher sistemas ultrasónicos industriales están diseñados para ofrecer amplitudes muy elevadas. Amplitudes de hasta 200µm pueden funcionar fácilmente de forma continua en funcionamiento 24/7. Para amplitudes aún mayores, Hielscher ofrece sondas ultrasónicas personalizadas. Todos nuestros procesadores ultrasónicos pueden ajustarse exactamente a las condiciones de proceso requeridas y supervisarse fácilmente mediante el software incorporado. 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 condiciones de trabajo duras y en entornos exigentes. Esto convierte a la sonicación en la tecnología de producción preferida para la preparación a gran escala de nanoplacas de grafeno de una o varias capas.
Al ofrecer una amplia gama de ultrasonidos y accesorios (como sonotrodos y reactores de distintos tamaños y geometrías), se pueden elegir las condiciones y factores de reacción más adecuados (por ejemplo, reactivos, aporte de 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 supone ningún problema para los sistemas ultrasónicos de Hielscher.
Debido a estos factores, la delaminación / exfoliación y dispersión por ultrasonidos supera a las técnicas convencionales de esmerilado y fresado.
- 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
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Literatura/Referencias
- Ivanov R., Hussainova I., Aghayan M., Petrov M. (2014): Nanofibras de alúmina recubiertas de grafeno como refuerzo de circonio. 9th International DAAAM Baltic Conference of industrial Engineering 24-26 de abril de 2014, Tallin, Estonia.
- Adam K. Budniak, Niall A. Killilea, Szymon J. Zelewski, Mykhailo Sytnyk, Yaron Kauffmann, Yaron Amouyal, Robert Kudrawiec, Wolfgang Heiss, Efrat Lifshitz (2020): CrPS exfoliada4 con fotoconductividad prometedora. Pequeño Vol.16, Issue1. 9 de enero de 2020.
- Štengl V., Henych J., Slušná M., Ecorchard P. (2014): Exfoliación por ultrasonidos de análogos inorgánicos del grafeno. Nanoscale Research Letters 9(1), 2014.
Información interesante
grafeno
El grafeno es una capa de carbono de un átomo de espesor, que puede describirse como una estructura monocapa o 2D de grafeno (grafeno monocapa = 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 de portadores 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 recubrimiento de película fina 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.
¿Por qué compuestos a base de grafeno?
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 potentes procesadores ultrasónicos 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 UIP16000 para producir nanocompuestos reforzados con grafeno y óxido de grafeno.