Grafeenin ultraäänidispersio
Grafeenin sisällyttämiseksi komposiitteihin on välttämätöntä hajottaa tai kuoria grafeeni yksittäisiksi nanolevyiksi tasaisesti koko formulaatiossa. Mitä perusteellisemmin grafeeni deagglomeroidaan, sitä paremmin sen poikkeuksellisia materiaaliominaisuuksia voidaan hyödyntää. Ultraäänidispersio tarjoaa erinomaisen hiukkasten jakautumisen ja dispersion stabiilisuuden jopa suurilla pitoisuuksilla ja viskositeeteilla. Tämä menetelmä tarjoaa erinomaisen dispersiolaadun, joka ylittää huomattavasti tavanomaiset sekoitustekniikat.
Grafeenin ultraäänidispersio
Komposiittien täyttämiseksi grafeenin erinomaisilla ominaisuuksilla, kuten sen lujuudella, grafeeni on dispergoitava tasaisesti matriisiin tai levitettävä ohutkalvopäällysteenä substraatille. Keskeisiä tekijöitä, jotka vaikuttavat tuloksena oleviin materiaaliominaisuuksiin, ovat kasautuminen, sedimentaatio ja dispersio matriisissa tai hiukkasten jakautuminen substraatissa.
Grafeenin hydrofobisen luonteen vuoksi stabiilin ja erittäin väkevän dispersion luominen ilman pinta-aktiivisia aineita tai dispergointiaineita on haastavaa. Van der Waalsin voimien voittaminen vaatii voimakkaita leikkausvoimia, jotka voidaan tehokkaasti tuottaa ultraäänikavitaatiolla. Tämä menetelmä on kehittynein stabiilien dispersioiden valmistamiseksi.
Teolliset sonicators grafeenin korkean suorituskyvyn dispersioon.
[/one_third_last]
Lisätietoja ja teknisiä yksityiskohtia Hielscherin teollisen koettimen tyyppisistä sonikaattoreista grafeenin kuorintaan ja dispersioon löytyy täältä:
- UIP1000hdT (1000 watin tehon ultraääni)
- UIP2000hdT (2000 watin tehon ultraääni)
- UIP4000hdT (4000 watin tehon ultraääni)
- UIP6000hdT (6000 watin tehon ultraääni)
- UIP16000hdT (16,000 watin tehon ultraääni)
Kaikki Hielscher-sonikaattorit mahdollistavat kaikkien tärkeiden prosessiparametrien tarkan hallinnan, ultraäänidispersiotekniikka välttää grafeenin kemiallisten ja kiderakenteiden vauriot – mikä johtaa koskemattomiin, virheettömiin grafeenihiutaleisiin.
Hielscherin tehokkaat ultraääniastiat pystyvät käsittelemään grafeenia ja grafiittia suurina määrinä, esimerkiksi nestefaasin kuorintaan ja grafeenin dispersioon. Prosessiparametrien tarkka hallinta mahdollistaa ultraääniprosessien saumattoman laajentamisen penkki-topista täydelliseen kaupalliseen tuotantoon.
Ultraäänellä kuorittu muutaman kerroksen grafeeni, jossa on noin 3-4 kerrosta ja noin 1 μm, voidaan (uudelleen) dispergoida pitoisuuksina vähintään 63 mg / ml.
SEM-kuvat grafeenin nanoverihiutaleista (b) X3000 ja (c) X8000
(Tutkimus ja kuvat: ©Alizadeh et ai., 2018)
- korkealaatuinen grafeeni
- korkea läpäisykyky / korkea saanto
- tasainen hajonta
- korkea pitoisuus
- korkeat viskositeetit
- Nopea prosessi
- Edullisia
- Erittäin tehokas
- ympäristöystävällinen
7kW ultraäänireaktori grafeenin dispersioille
Ultraäänihomogenisaattorit ja dispergointiaine grafeenille
Hielscher Ultrasonics tarjoaa suuritehoisia ultraäänijärjestelmiä irtotavarana kerrostetun grafeenin ja grafiitin kuorimiseksi ja hajottamiseksi mono-, bi- ja harvakerroksiseksi grafeeniksi. Niiden luotettavat ultraääniprosessorit ja kehittyneet reaktorit tarjoavat tarvittavan tehon ja tarkan ohjauksen tiettyjen prosessitavoitteiden saavuttamiseksi.
Yksi tärkeimmistä prosessiparametreista on ultraääniamplitudi, joka on värähtelysiirtymä ultraäänisarvessa. Hielscherin teolliset ultraääniastiat on suunniteltu tuottamaan erittäin suuria amplitudit, jatkuvalla toiminnalla jopa 200 μm: ssä. Vielä suuremmille amplitudille on saatavana räätälöityjä ultraääniantureita. Kaikkien Hielscher-sonikaattoreiden prosessiparametrit voidaan säätää tarkasti vaadittuihin prosessiolosuhteisiin ja seurata sisäänrakennetun ohjelmiston avulla, mikä takaa korkean luotettavuuden, tasaisen laadun ja toistettavat tulokset. Hielscher-sonikaattoreiden vankka muotoilu on rakennettu 24/7 toimintaan vaativissa ympäristöissä, mikä tekee sonikaatiosta edullisen tekniikan mono- ja harvakerroksisten grafeenin nanoarkkien laajamittaiseen tuotantoon.
Hielscher tarjoaa laajan valikoiman ultraäänilaitteita ja lisävarusteita, mukaan lukien erikokoiset ja geometriset sonotrodit ja reaktorit. Tämä mahdollistaa optimaalisten reaktio-olosuhteiden ja tekijöiden, kuten reagenssien, ultraäänienergian syöttämisen tilavuutta, painetta, lämpötilaa ja virtausnopeutta kohti, valinnan korkeimman laadun saavuttamiseksi. Niiden ultraäänireaktoreita voidaan paineistaa jopa useita satoja bargeja, jolloin erittäin viskoosisten tahnojen (jopa 250 000 senttiä) sonikointi on mahdollista.
Nämä ominaisuudet tekevät ultraäänidelaminaatiosta, kuorinnasta ja dispergoinnista parempia kuin perinteiset hionta- ja jyrsintätekniikat.
Hielscher-sonikaattorit ovat markkinoiden kehittyneimpiä ultraäänihomogenisaattoreita. Hyödynnä Hielscher-sonikaattoreiden lukuisia etuja!
Graafinen visualisointi grafeenin nanoverihiutaleiden ultraäänisynteesistä käyttämällä sonikaattoria UP100H
(Tutkimus ja grafiikka: Ghanem ja Rehim, 2018)
Hielscherin sonikaattorit grafeenille:
- suuritehoinen ultraääni
- suuret leikkausvoimat
- sovellettavat korkeat paineet
- tarkka ohjaus
- saumaton skaalautuvuus (lineaarinen)
- Erä ja läpivirtaus
- Toistettavat tulokset
- luotettavuus
- rotevuus
- Korkea energiatehokkuus
Faktoja, jotka kannattaa tietää
Mikä on grafeeni?
Grafeeni on yhden atomin paksuinen hiilikerros, jota voidaan kuvata grafeenin yksikerroksiseksi tai 2D-rakenteeksi (yksikerroksinen grafeeni = SLG). Grafeenilla on poikkeuksellisen suuri ominaispinta-ala ja erinomaiset mekaaniset ominaisuudet (Youngin moduuli 1 TPa ja luontainen lujuus 130 GPa), se tarjoaa erinomaisen elektronisen ja lämmönjohtavuuden, varauskantajan liikkuvuuden, läpinäkyvyyden ja on läpäisemätön kaasuille. Näiden materiaaliominaisuuksien vuoksi grafeenia käytetään vahvistavana lisäaineena komposiittien lujuuden, johtavuuden jne. Grafeenin ominaisuuksien yhdistämiseksi muihin materiaaleihin grafeeni on dispergoitava yhdisteeseen tai levitettävä ohutkalvopäällysteenä alustalle.
Yleisiä liuottimia, joita käytetään usein nestemäisenä faasina grafeenin nanoarkkien dispergointiin, ovat dimetyylisulfoksidi (DMSO), N,N-dimetyyliformamidi (DMF), N-metyyli-2-pyrrolidoni (NMP), tetrametyyliurea (TMU, tetrahydrofuraani (THF), propyleenikarbonaattiasetoni (PC), etanoli ja formamidi.
Voiko grafeeni dispergoitua veteen?
Kyllä, grafeeni voidaan dispergoida veteen käyttämällä pinta-aktiivisia aineita, polymeerejä tai muita stabilointiaineita aggregaation estämiseksi ja dispersion stabiilisuuden ylläpitämiseksi. Luotettavilla dispergointilaitteilla, kuten koetintyyppisillä sonikaattoreilla, on myös ratkaiseva rooli grafeenin dispersiossa käyttämällä ultraäänienergiaa agglomeraattien hajottamiseen ja grafeenihiukkasten koon pienentämiseen, mikä edistää tasaisempaa ja vakaampaa dispersiota nestemäisessä väliaineessa.
Voiko grafeenioksidi liueta veteen?
Kyllä, grafeenioksidi voi liueta veteen happea sisältävien funktionaalisten ryhmiensä vuoksi, jotka parantavat sen hydrofiilisyyttä ja antavat sen muodostaa stabiileja vesidispersioita.
Mikä on paras liuotin grafeenin hajottamiseksi?
Paras liuotin grafeenin dispergoimiseksi on N-metyyli-2-pyrrolidoni (NMP) johtuen sen suuresta napaisuudesta ja kyvystä stabiloida grafeenilevyjä, mikä johtaa tasaiseen ja stabiiliin dispersioon.
Miksi grafeeni ei liukene veteen?
Grafeeni ei liukene veteen, koska sillä ei ole funktionaalisia ryhmiä, jotka voivat olla vuorovaikutuksessa vesimolekyylien kanssa, mikä tekee siitä hydrofobisen ja altis aggregaatiolle grafeenilevyjen välisten voimakkaiden van der Waalsin voimien vuoksi.
Miksi grafeenia käytetään komposiiteissa?
Grafeeni on yhden atomin paksuudella ohuin, paino noin 0,77 mg / 1 m2 kevyin ja vetojäykkyys 150 000 000 psi (100-300 kertaa vahvempi kuin teräs) ja vetolujuus 130 000 000 000 Pascalia vahvin tunnettu materiaali.
Lisäksi grafeeni on paras lämmönjohdin (huoneenlämpötilassa (4,84±0,44) × 103 kohtaan (5.30±0.48) × 103 W·m-11· K-1) ja paras sähköjohdin (elektronien liikkuvuus yli 15 000 cm2· V-1·s-1).
Toinen tärkeä grafeenin ominaisuus on sen optinen ominaisuus, jonka valon absorptio on πα≈2,3% valkoisesta valosta, ja sen läpinäkyvä ulkonäkö.
Sisällyttämällä grafeeni matriiseihin nämä erinomaiset materiaaliominaisuudet voidaan siirtää tuloksena olevaan komposiittiin, joka tarjoaa ainutlaatuisia toimintoja. Tällaiset grafeenivahvistetut komposiitit tarjoavat uusia mahdollisuuksia materiaalikehitykseen ja teollisiin sovelluksiin. Ominaisuuksiensa vuoksi grafeeni ja grafeenikomposiitit ovat jo laajalti levinneet korkean suorituskyvyn paristojen, superkondensaattoreiden, johtavien musteiden, pinnoitteiden, aurinkosähköjärjestelmien ja elektronisten laitteiden valmistukseen
Hielscher-sonikaattorit toimittavat vaaditut suuret leikkausvoimat van der Waalsin voimien voittamiseksi, jotta grafeenin nanosheetit jakautuvat tasaisesti komposiittimatriiseihin. Ultraäänidispergointiaineita, kuten UIP2000hdT tai UIP16000, käytetään grafeeni- ja grafeenioksidilla vahvistettujen nanokomposiittien tuottamiseen.
Kirjallisuus/viitteet
- 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 valmistaa korkean suorituskyvyn ultraäänihomogenisaattoreita laboratorio jotta Teollisuuden koko.