Dispersion ultrasonique du carbone amorphe monocouche (MAC) dans les liquides
Le carbone amorphe monocouche (MAC) est un nouveau nanomatériau à base de carbone doté d'une résistance mécanique, d'une flexibilité et d'une conductivité exceptionnelles. Son intégration dans des matrices liquides est essentielle pour les applications dans les composites à haute performance, le stockage de l'énergie, les revêtements et les matériaux électroniques. Toutefois, il est difficile d'obtenir une dispersion uniforme et stable du MAC en raison de ses fortes interactions de van der Waals et de sa tendance à s'agréger. La dispersion ultrasonique à l'aide de sonicateurs de type sonde Hielscher offre une solution évolutive et très efficace pour briser les agrégats de MAC et assurer une distribution homogène dans les phases liquides.
Les défis de la dispersion des MAC
En raison de sa structure ultra-mince et de son énergie de surface élevée, le MAC s'agrège naturellement en piles multicouches lorsqu'il est introduit dans un milieu liquide. Les méthodes conventionnelles de mélange ou de cisaillement ne parviennent souvent pas à disperser efficacement les MAC, ce qui entraîne :
- Mauvaise homogénéité des matériaux composites
- Réduction des propriétés mécaniques en raison de l'agglomération
- Extensibilité limitée des processus
La cavitation ultrasonique est une technique non dommageable, efficace et évolutive qui permet d'obtenir des MAC monocouches dispersées dans divers solvants, matrices polymères et formulations réactives.
Dispersion ultrasonique : Mécanisme et avantages
Les ultrasons de type sonde génèrent une cavitation acoustique intense dans les liquides, ce qui se traduit par des forces de cisaillement élevées localisées, des micro-jets et des ondes de choc. Ces conditions extrêmes permettent de briser efficacement les agrégats de MAC, de démêler et de distribuer uniformément les nanofeuilles. Les principaux avantages de la dispersion ultrasonique sont les suivants
- Exfoliation efficace : Transforme les MAC multicouches en monocouches
- Grande stabilité : Prévient la réagrégation en optimisant les interactions entre les agents de surface et les solvants.
- Évolutivité du processus : Convient à la recherche en laboratoire, à la production pilote et à la fabrication industrielle à grande échelle
- Traitement contrôlé : Les paramètres réglables (amplitude, temps, pression, température) permettent d'optimiser les applications spécifiques.
Sonicateurs à sonde Hielscher : Solutions évolutives pour la dispersion des MAC
Hielscher Ultrasonics propose des processeurs ultrasoniques de pointe qui répondent à tous les niveaux de dispersion des CMA, des petits échantillons de laboratoire aux processus industriels en ligne à grande échelle. Leurs systèmes modulaires et personnalisables offrent une précision et une efficacité inégalées.
Ultrasonator UP400St pour la dispersion homogène de nanoparticules de carbone
Dispersion de MAC à l'échelle du laboratoire
Pour la recherche et le développement, les sonicateurs Hielscher modèles UP200Ht (200W) et UP400St (400W) permettent un contrôle précis des paramètres de dispersion. Ces appareils à ultrasons permettent :
- Traitement de petits lots pour des études de faisabilité rapides
- Optimisation des paramètres pour déterminer l'amplitude et la durée de traitement idéales
- Reproductibilité pour l'affinement de la formulation
Production pilote et à moyenne échelle
Pour la production à l'échelle pilote ou la petite production industrielle, UIP1000hdT (1kW) et UIP2000hdT (2kW) offrent une puissance accrue tout en maintenant un contrôle précis de la qualité de la dispersion. Leurs caractéristiques sont les suivantes
- Traitement en continu pour un débit plus élevé
- Réacteurs à cellules en flux pour permettre une dispersion en ligne
- Les cellules d'écoulement pressurisables permettent un traitement sous pression élevée
Dispersion en ligne à l'échelle industrielle
Pour la dispersion MAC à haut volume, les séries UIP4000hdT, UIP6000hdT et UIP16000hdT de Hielscher (4 kW à 16 kW par unité) facilitent la dispersion continue en ligne, garantissant efficacité et reproductibilité au niveau industriel. Les avantages comprennent :
- Capacité de traitement élevée : Conçue pour la production à grande échelle de composites et de revêtements
- Conception modulaire évolutive : Plusieurs unités peuvent fonctionner en parallèle
- Automatisation des processus : Intégration avec des capteurs et des systèmes de contrôle pour une surveillance en temps réel
Comment obtenir une dispersion optimale du carbone amorphe monocouche ?
Pour obtenir la meilleure qualité de dispersion possible, il faut optimiser les principaux paramètres de traitement :
La dispersion ultrasonique à l'aide de sonicateurs de type sonde Hielscher est une technique éprouvée, évolutive et très efficace pour le traitement du carbone amorphe monocouche dans les liquides. Qu'il s'agisse d'une petite échelle de laboratoire ou d'une production industrielle complète, les sonicateurs Hielscher garantissent des dispersions homogènes et stables, libérant ainsi tout le potentiel du carbone amorphe monocouche (MAC) pour les composites haute performance de la prochaine génération, les revêtements conducteurs et les produits renforcés par des nanomatériaux.
Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasons :
| Volume du lot | Débit | Dispositifs recommandés |
|---|---|---|
| 00,5 à 1,5 ml | n.d. | VialTweeter |
| 1 à 500mL | 10 à 200mL/min | UP100H |
| 10 à 2000mL | 20 à 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 à 20L | 0.2 à 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 à 100L | 2 à 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 à 150L | 3 à 15L/min | UIP6000hdT |
| n.d. | 10 à 100L/min | UIP16000hdT |
| n.d. | plus grande | groupe de UIP16000hdT |
- haute efficacité
- une technologie de pointe
- fiabilité & robustesse
- contrôle du processus réglable et précis
- lot & en ligne
- pour tout volume
- logiciel intelligent
- fonctions intelligentes (par exemple, programmable, protocole de données, contrôle à distance)
- facile et sûr à utiliser
- peu d'entretien
- CIP (clean-in-place)
Conception, fabrication et conseil – Qualité Made in Germany
Les ultrasons Hielscher sont réputés pour leur qualité et leurs normes de conception les plus élevées. La robustesse et la facilité d'utilisation permettent une intégration aisée de nos ultrasons dans les installations industrielles. Les conditions difficiles et les environnements exigeants sont facilement gérés par les ultrasons Hielscher.
Hielscher Ultrasonics est une entreprise certifiée ISO et met l'accent sur les ultrasons de haute performance, dotés d'une technologie de pointe et d'une grande facilité d'utilisation. Bien entendu, les ultrasons Hielscher sont conformes à la norme CE et répondent aux exigences des normes UL, CSA et RoHs.
Sonicateur industriel UIP16000hdT pour les nano-dispersions à haut débit
Littérature? Références
- 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.
questions fréquemment posées
Qu'est-ce que le carbone amorphe monocouche ?
Le carbone amorphe monocouche (MAC) est une forme de carbone non cristallin d'un seul atome d'épaisseur, généralement synthétisé par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) ou par d'autres techniques de dépôt de couches minces. Contrairement au graphène, qui possède un réseau hexagonal bien ordonné, le carbone amorphe monocouche ne possède pas d'ordre atomique à longue portée et présente une structure désordonnée mais uniforme à l'échelle atomique.
Qu'est-ce qu'un carbone amorphe ?
Le carbone amorphe (a-C) est un allotrope non cristallin du carbone caractérisé par l'absence d'ordre atomique périodique à longue portée. Il contient un mélange d'atomes de carbone hybridés sp² (graphite) et sp³ (diamant), dont les propriétés varient en fonction de la méthode de dépôt et de la teneur en hydrogène. Les variantes comprennent le carbone amorphe hydrogéné (a-C:H), le carbone amorphe tétraédrique (ta-C) et le carbone de type diamant (DLC).
Le carbone amorphe monocouche est-il disponible en vrac ?
Non, le carbone amorphe monocouche n'est pas disponible en vrac en raison de sa nature bidimensionnelle. Il est synthétisé sous forme de film ultrafin sur des substrats et ne peut être produit en grandes quantités en vrac comme le graphite ou le diamant.
Quelle est la différence entre le carbone amorphe et le carbone cristallin ?
La principale différence réside dans l'arrangement atomique. Le carbone cristallin (graphite, diamant, etc.) possède un réseau périodique bien défini, tandis que le carbone amorphe manque d'ordre à longue portée. Cette différence structurelle influe sur les propriétés électroniques, mécaniques et optiques : les formes cristallines présentent une anisotropie et des structures de bandes distinctes, tandis que le carbone amorphe a des propriétés isotropes et une conductivité électrique variable.
Quelles sont les formes de carbone ?
Le carbone existe sous la forme de plusieurs allotropes, notamment :
- Formes cristallines : Diamant, graphite, graphène, nanotubes de carbone (NTC), fullerènes (par exemple, C₆₀).
- Formes amorphes : Charbon, suie, noir de carbone, carbone vitreux, carbone de type diamant (DLC), carbone amorphe monocouche (MAC).
- Nanostructures hybrides : Nanodiamants, oignons de carbone, aérogels de carbone et composites tels que les hybrides nanocarbone-métal.
Chaque forme présente des propriétés physicochimiques distinctes, utiles pour des applications dans les domaines de la science des matériaux, de l'électronique et du stockage de l'énergie.
Hielscher Ultrasonics fabrique des homogénéisateurs à ultrasons très performants à partir de laboratoires à taille industrielle.