Monokihilise amorfse süsiniku (MAC) ultraheli dispergeerimine vedelikes

Monokihiline amorfne süsinik (MAC) on uudne süsinikupõhine nanomaterjal, millel on erakordne mehaaniline tugevus, painduvus ja juhtivus. Selle viimine vedelatesse maatriksitesse on kriitilise tähtsusega kõrgjõudlusega komposiitide, energia salvestamise, pinnakatete ja elektrooniliste materjalide rakendustes. MAC-i ühtlase ja stabiilse dispersiooni saavutamine on siiski keeruline selle tugevate van der Waalsi vastasmõjude ja agregeerumisalduvuse tõttu. Hielscheri sondtüüpi sonikaatoritega teostatav ultraheli dispergeerimine pakub skaleeritavat ja väga tõhusat lahendust MAC-i klastrite lõhkumiseks ning homogeense jaotuse tagamiseks vedelates faasides.

MAC-i dispergeerimise väljakutsed

Oma ülimalt õhukese struktuuri ja suure pindenergia tõttu agregeerub MAC vedelasse keskkonda viimisel loomulikult mitmekihilisteks kuhjatisteks. Tavapärased segamis- või nihkemeetodid ei suuda MAC-i sageli tõhusalt dispergeerida, mis põhjustab:

Komposiitmaterjalide halva homogeensuse
Aglomeratsioonist tingitud halvenenud mehaanilised omadused
Piiratud protsessi skaleeritavuse

Ultraheli kavitatsioon pakub kahjustamatut, tõhusat ja skaleeritavat meetodit dispergeeritud üksikkihilise MAC-i saavutamiseks erinevates lahustites, polümeermaatriksites ja reaktiivsetes koostistes.

Ultraheli dispergeerimine: mehhanism ja eelised

Sondtüüpi ultraheliseadmed tekitavad vedelikes intensiivset akustilist kavitatsiooni, mille tulemuseks on lokaalselt tugevad nihkejõud, mikrojoad ja lööklained. Need äärmuslikud tingimused lõhuvad tõhusalt MAC-i agregaate, hõlbustavad nanolehtede lahtikeerutamist ning jaotavad need ühtlaselt. Ultraheli dispergeerimise peamised eelised on:

Tõhus koorimine (eksfoliatsioon): Muudab mitmekihilise MAC-i monokihtideks
Kõrge stabiilsus: Hoiab ära uuesti agregeerumise, optimeerides pindaktiivse aine ja lahusti vastasmõjusid
Protsessi skaleeritavus: Sobib laborimastaabis uuringuteks, piloottootmiseks ja täismahulisteks tööstuslikeks tootmisprotsessideks
Kontrollitud töötlemine: Reguleeritavad parameetrid (amplituud, aeg, rõhk, temperatuur) võimaldavad optimeerimist konkreetsete rakenduste jaoks

Hielscheri sondtüüpi sonikaatorid: skaleeritavad lahendused MAC-i dispergeerimiseks

Hielscher Ultrasonics pakub nüüdisaegseid ultraheliprotsessoreid, mis sobivad kõigil MAC-i dispergeerimise tasanditel – väikestest laboriproovidest kuni suuremahuliste tööstuslike läbivooluprotsessideni. Nende modulaarsed ja kohandatavad süsteemid pakuvad võrratut täpsust ja tõhusust.

Video näitab grafiidi segamist ja dispergeerimist ultraheliga 250mL epoksüvaigus (Toolcraft L), kasutades ultrahelihomogenisaatorit (UP400St, Hielscher Ultrasonics). Hielscher Ultrasonics toodab seadmeid grafiidi, grafeeni, süsiniknanotorude, nanotraadikeste või täiteainete dispergeerimiseks laboris või suuremahulistes tootmisprotsessides. Tüüpilised rakendused on nano- ja mikromaterjalide dispergeerimine funktsionaliseerimise käigus või nende dispergeerimine vaikudesse või polümeeridesse.

MAC-i dispergeerimine laborimastaabis

Teadus- ja arendustegevuseks pakuvad Hielscheri sonikaatorite mudelid UP200Ht (200W) ja UP400St (400W) täpset kontrolli dispergeerimisparameetrite üle. Need ultraheliseadmed võimaldavad:

Väikeste partiide töötlemist kiireteks teostatavusuuringuteks
Parameetrite optimeerimist ideaalse amplituudi ja töötlemisaja määramiseks
Reprodutseeritavust koostise täiustamiseks

Pilootmastaabis ja keskmahuline tootmine

Pilootmastaabis või väiksemahuliseks tööstuslikuks tootmiseks pakuvad UIP1000hdT (1kW) ja UIP2000hdT (2kW) suuremat võimsust, säilitades samal ajal dispergeerimiskvaliteedi täpse kontrolli. Nende omadused hõlmavad:

Pidevat töötlemist suurema läbilaskevõime jaoks
Läbivoolureaktoreid läbivoolu-dispergeerimise võimaldamiseks
Survestatavaid läbivoolukambreid, mis võimaldavad töötlemist kõrgendatud rõhul

Tööstusmastaabis läbivoolu-dispergeerimine

Suuremahuliseks MAC-i dispergeerimiseks võimaldavad Hielscheri UIP4000hdT, UIP6000hdT ja UIP16000hdT seeriad (4kW–16kW seadme kohta) pidevat läbivoolu-dispergeerimist, tagades tõhususe ja reprodutseeritavuse tööstuslikul tasemel. Eelised hõlmavad:

Suur töötlemisvõimsus: Loodud suuremahuliseks komposiitide ja pinnakatete tootmiseks
Skaleeritav modulaarne konstruktsioon: Mitut seadet saab kasutada paralleelselt
Protsessi automatiseerimine: Integreerimine andurite ja juhtsüsteemidega reaalajas jälgimiseks

Kuidas saavutada monokihilise amorfse süsiniku optimaalne dispergeerimine?

Parima dispergeerimiskvaliteedi saavutamiseks tuleb optimeerida peamisi töötlemisparameetreid:

Amplituud: suuremad amplituudid tekitavad tugevamat kavitatsiooni, mis soodustab koorimist (eksfoliatsiooni)

Töötlemisaeg: pikemad ultraheli töötluse (sonikeerimise) kestused võivad dispergeerimist parandada, kuid neid tuleb kontrollida, et vältida materjali lagunemist

Lahusti valik: sobiva lahusti valik parandab MAC-i stabiilsust ja dispergeeritavust

Pindaktiivsed ained/stabilisaatorid: polümeerid, pindaktiivsed ained või funktsionaalsed lisandid võivad MAC-i dispersiooni stabiilsust veelgi parandada

Hielscheri sondtüüpi sonikaatoritega teostatav ultraheli dispergeerimine on tõestatud, skaleeritav ja väga tõhus meetod monokihilise amorfse süsiniku töötlemiseks vedelikes. Olgu tegemist väikese laborimastaabi või täismahulise tööstusliku tootmisega, tagavad Hielscheri sonikaatorid homogeensed ja stabiilsed dispersioonid, vallandades monokihilise amorfse süsiniku (MAC) täieliku potentsiaali järgmise põlvkonna kõrgjõudlusega komposiitide, juhtivate pinnakatete ja nanomaterjalidega täiustatud toodete jaoks.

Alljärgnev tabel annab ülevaate meie ultraheliseadmete ligikaudsest töötlemisvõimsusest:

Partii maht	Vooluhulk	Soovitatavad seadmed
0,5 to 1,5mL	n.a.	VialTweeter
1 to 500mL	10 to 200mL/min	UP100H
10 to 2000mL	20 to 400mL/min	UP200Ht, UP400St
0,1 to 20L	0,2 to 4L/min	UIP2000hdT
10 to 100L	2 to 10L/min	UIP4000hdT
15 to 150L	3 to 15L/min	UIP6000hdT
n.a.	10 to 100L/min	UIP16000hdT
n.a.	suurem	klaster: UIP16000hdT

Miks Hielscher Ultrasonics?

kõrge tõhusus
nüüdisaegne tehnoloogia
töökindlus ja vastupidavus
reguleeritav, täpne protsessijuhtimine
partii- ja läbivooluprotsessid
mis tahes mahule
intelligentne tarkvara
nutikad funktsioonid (nt programmeeritavus, andmete protokollimine, kaugjuhtimine)
lihtne ja ohutu kasutada
vähene hooldusvajadus
CIP (kohapealne puhastus)

Disain, tootmine ja konsultatsioon – kvaliteet, mis on valmistatud Saksamaal

Hielscheri ultraheliseadmed on tuntud oma kõrgeima kvaliteedi ja disainistandardite poolest. Töökindlus ja lihtne kasutamine võimaldavad meie ultraheliseadmete sujuvat integreerimist tööstusrajatistesse. Hielscheri ultraheliseadmed tulevad karmide tingimuste ja nõudlike keskkondadega hõlpsasti toime.

Hielscher Ultrasonics on ISO-sertifitseeritud ettevõte ning pöörab erilist tähelepanu kõrgjõudlusega ultraheliseadmetele, mis ühendavad nüüdisaegse tehnoloogia ja kasutajasõbralikkuse. Loomulikult vastavad Hielscheri ultraheliseadmed CE nõuetele ning UL-i, CSA ja RoHs-i nõuetele.

Seotud teemad

Kirjandus / viited

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.

Korduma kippuvad küsimused

Mis on monokihiline amorfne süsinik?

Monokihiline amorfne süsinik (MAC) on üheaatomilise paksusega mittekristalne süsiniku vorm, mida tavaliselt sünteesitakse keemilise aurustussadestamise (CVD) või muude õhukesekihiliste sadestustehnikatega. Erinevalt grafeenist, millel on hästi korrastatud kuusnurkne võre, puudub MAC-il kaugkorrastatus aatomitasandil, mistõttu on selle struktuur aatomi skaalal korrapäratu, kuid ühtlane.

Mis on amorfne süsinik?

Amorfne süsinik (a-C) on süsiniku mittekristalne allotroop, mida iseloomustab kauge perioodilise aatomkorrastatuse puudumine. See sisaldab sp² (grafiitseid) ja sp³ (teemantitaolisi) hübridiseerunud süsinikuaatomeid, mille omadused varieeruvad sõltuvalt sadestusmeetodist ja vesinikusisaldusest. Variantide hulka kuuluvad hüdrogeenitud amorfne süsinik (a-C:H), tetraeedriline amorfne süsinik (ta-C) ja teemantitaoline süsinik (DLC).

Kas monokihiline amorfne süsinik on saadaval suurtes kogustes?

Ei, monokihiline amorfne süsinik ei ole oma kahedimensioonilise iseloomu tõttu saadaval hulgimaterjalina. Seda sünteesitakse ülimalt õhukese kilena aluspindadel ning seda ei saa toota suurtes vabalt seisvates hulgikogustes nagu grafiiti või teemanti.

Mis vahe on amorfsel süsinikul ja kristallilisel süsinikul?

Peamine erinevus seisneb aatomite paigutuses. Kristalsel süsinikul (nt grafiit, teemant) on hästi defineeritud perioodiline võre, amorfsel süsinikul aga puudub kaugkorrastatus. See struktuuriline erinevus mõjutab elektroonilisi, mehaanilisi ja optilisi omadusi – kristalsed vormid avaldavad anisotroopiat ja selgeid ribastruktuure, samas kui amorfsel süsinikul on isotroopsed omadused ja muutuv elektrijuhtivus.

Millised on süsiniku vormid?

Süsinikul esineb mitu allotroopi, sealhulgas:

Kristalsed vormid: teemant, grafiit, grafeen, süsiniknanotorud (CNT-d), fullereenid (nt C₆₀).
Amorfsed vormid: puusüsi, tahm, tehnilisem süsi (carbon black), klaassüsinik, teemantitaoline süsinik (DLC), monokihiline amorfne süsinik (MAC).
Hübriidsed nanostruktuurid: nanoteemandid, süsiniksibulad, süsinikaerogeelid ja komposiidid, nagu nanosüsiniku-metalli hübriidid.

Igal vormil on erinevad füüsikalis-keemilised omadused, mis on olulised materjaliteaduse, elektroonika ja energia salvestamise rakendustes.