Ultrasons Exfoliation dispersible dans l'eau graphène

  • Mono- et nanofeuillets de graphène bi-couche peut être produit rapidement par exfoliation à ultrasons avec un débit élevé et à faible coût.
  • Graphène peut exfoliée ultra-sons fonctionnaliser avec biopolymères afin d'obtenir graphène dispersibles dans l'eau.
  • Par cavitation ultrasonique, le graphène synthétisé peut être ensuite transformé en une dispersion stable à base d'eau.

Ultrasons Exfoliation de graphène de haute qualité

Ultrasonication est une méthode fiable pour produire des couches de graphène (mono-, bi- et peu graphène-couche) à partir de flocons de graphite ou des particules. Alors que d'autres techniques d'exfoliation communs tels que des broyeurs à à billes et rouleaux ou des mélangeurs à cisaillement élevé sont liées à la mauvaise qualité et l'utilisation de réactifs agressifs et des solvants, le procédé d'exfoliation ultrasons convainc par sa sortie de haute qualité, de haute capacité de traitement et des conditions de traitement douces.
La cavitation ultrasonique crée des forces de cisaillement intenses qui séparent les couches de graphite empilées en mono-, bi- et quelques couches de graphène sans défaut.

Feuilles de graphène dispersables dans l'eau par sonication

La sonication à l'aide d'une sonde ultrasonique est une méthode efficace pour exfolier les nanofeuillets de graphène monocouche et les disperser uniformément. La fonctionnalisation par ultrasons permet de produire du graphène dispersable dans l'eau.L'ultrasonication est une procédure efficace avec des résultats reproductibles pour démêler les carbonnanotubes dans l'eau ou les solvants organiques[/caption]Dans des conditions normales, le graphène est difficilement dispersable dans l'eau et forme des agrégats et des agglomérats lorsqu'il est dispersé dans un milieu aqueux. Les systèmes aqueux présentant les avantages significatifs d'être peu coûteux, non toxiques et respectueux de l'environnement, les systèmes de graphène à base d'eau sont très attrayants pour les fabricants de graphène et l'industrie en aval.
Afin d'obtenir graphène dispersibles dans l'eau nanofeuilles, le graphène exfolié par ultrasons est modifié avec des polysaccharides / biopolymères tels que le pullulane, le chitosane, l'alginate, la gélatine ou la gomme arabique.

avantages:

  • graphène de haute qualité
  • haut rendement
  • dispersion à base d'eau
  • haute concentration
  • haute efficacité
  • processus rapide
  • à bas prix
  • à haut débit
  • respectueux de l'environnement

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système de dispersion par ultrasons 7kW pour la production de graphène en ligne (Cliquez pour agrandir!)

Réacteur à ultrasons avec ultrasons de type sonde pour l'exfoliation du graphène à l'échelle industrielle

Protocole d'exfoliation directe du graphite par ultrasons

Le pullulan non ionique et l'alginate anionique (1,0 g) ont été dissous séparément dans 20 ml d'eau distillée, tandis que le chitosane cationique (0,4 g) a été dissous dans 20 ml d'eau distillée avec 1 % en poids d'acide acétique. La poudre de graphite a été dispersée dans les solutions aqueuses de biopolymères et traitée à l'aide d'un ultrasonateur à sonde UP200S (puissance maximale de 200 W, fréquence de 24 kHz, Hielscher Ultrasonics, Allemagne) équipé d'une sonotrode en titane (micro pointe S3, diamètre de la pointe 3 mm, amplitude maximale de 210 µm, densité de puissance acoustique ou intensité de surface 460 W cm-2) dans les conditions suivantes : 0,5 cycle et 50 % d'amplitude, pendant une période de 10, 20, 30 et 60 minutes, respectivement. Les meilleurs résultats ont été obtenus avec une sonication de 30 minutes. La sonication a été appliquée à une puissance de 16,25 W pendant 30 minutes, avec une consommation d'énergie (production d'énergie par unité de volume) de 731 Ws ml-1.
Ensuite, les mélanges ont été centrifugés à 1500 tours/minute pendant 60 minutes pour éliminer les particules de graphite nonfoliées, puis lavés 5 fois et centrifugés à nouveau à 5000 tours/minute pendant 20 minutes pour éliminer l'excès de biopolymères. Les solutions gris foncé obtenues ont été séchées sous vide à 40ºC jusqu'à ce qu'il n'y ait plus de perte de masse. Les poudres de polymère-graphène obtenues ont été redispersées dans l'eau (1 mg ml-1 pour le pullulan et le chitosan ; 0,18 mg ml-1 pour l'alginate) pour la caractérisation. Les feuilles de graphène obtenues par ultrasonication assistée par le pullulan, l'alginate et le chitosane ont été désignées respectivement par les termes pull-G, alg-G et chit-G.
Sur les trois systèmes, pullulane et chitosane étaient plus efficaces dans l'exfoliation du graphite que l'alginate. Cette méthode a abouti mono- exfoliée, bi- et feuilles de graphène quelques couches avec seulement de faibles défauts latéraux (arêtes). L'adsorption de biopolymères sur la surface de graphène offre une stabilité de longue durée (plus de 6 mois) de la dispersion aqueuse.
(cf. Unalan et al. 2015)

Exfoliation ultrasonique du graphène dans l'eau

Séquence à grande vitesse (de a à f) d'images illustrant l'exfoliation sono-mécanique d'une paillette de graphite dans l'eau en utilisant l'UP200S, un appareil à ultrasons de 200 W avec une sonotrode de 3 mm. Les flèches montrent l'endroit de la fissuration (exfoliation) avec des bulles de cavitation pénétrant dans la fissure.
(étude et photos : © Tyurnina et al. 2020

exfoliation ultrasons de graphène dispersibles dans l'eau nanofeuilles (Unalan et al. 2015)

images TEM de pull-G pour: (a) 10 min; (B) 20 min; (C) 30 min; (D) 60 min; (E) chit-G pendant 30 min; (F) alg-G pendant 30 min. (Unalan et al. 2015)

Ultrasons pour l'exfoliation du graphène

L'Ultrasonicator industriel UIP6000hdT délivre 6000 watts d'ultrasons de haute intensité via une sonde (sonotrode) pour les applications d'homogénéisation, de dispersion, d'émulsion et d'extraction.Les processeurs ultrasoniques haute puissance de Hielscher sont utilisés dans le monde entier pour l'exfoliation et la dispersion réussies du graphite et du graphène. Nos disperseurs à ultrasons sont disponibles pour les laboratoires et les paillasses jusqu'aux unités de production industrielle complètes. Outre leur robustesse, leur fonctionnement 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7 et leur faible entretien, les appareils à ultrasons Hielscher séduisent par leur grande facilité de traitement et leur évolutivité linéaire.
Les processus peuvent être facilement testés et optimisés dans le laboratoire. Par la suite, tous les résultats du processus peuvent être mis à l'échelle complètement linéaire au niveau de la production commerciale. Cela rend sonication une méthode de production efficace et efficiente pour le volume élevé de feuilles de graphène de haute qualité.
Les processeurs ultrasoniques industriels de Hielscher Ultrasonics peuvent fournir des amplitudes très élevées. Des amplitudes allant jusqu'à 200µm peuvent être facilement exploitées en continu, 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7. Pour des amplitudes encore plus élevées, des sonotrodes ultrasoniques personnalisées sont disponibles. Les réacteurs à ultrasons correspondants garantissent la capacité d'une production de masse fiable et sûre de nanofeuillets de graphène de haute qualité ainsi que de dispersions stables de nanofeuillets.

La robustesse des équipements à ultrasons Hielscher permet un fonctionnement 24/7 à usage intensif et dans des environnements exigeants.
Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasonicators:

lot Volume Débit Appareils recommandés
10 à 2000mL 20 à 400 ml / min UP200Ht, UP400St
0.1 20L 00,2 à 4L / min UIP2000hdT
10 à 100l 2 à 10 L / min UIP4000
n / a. 10 à 100 litres / min UIP16000
n / a. plus grand groupe de UIP16000

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Veuillez utiliser le formulaire ci-dessous pour demander des informations supplémentaires sur les disperseurs à ultrasons pour l'exfoliation de feuilles de silicium, les applications liées au graphène, les détails techniques et les prix. Nous serons heureux de discuter avec vous de votre processus de production de graphène et de vous proposer un disperseur à ultrasons répondant à vos exigences !









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L'ultrasonisation intense à l'aide d'une sonde à ultrasons (sonotrode) est une méthode très efficace pour délaminer et exfolier les nanofeuillets de graphène.

Mécanisme d'exfoliation ultrasonique de nanoparticules 2D.
(étude et graphique : Tyurnina et al., 2020)



Qu'il faut savoir

graphène

feuille de graphène Le graphène est une monocouche de sp2atomes de carbone à liaison. Graphène offre des caractéristiques matérielles uniques comme une zone extraordinaire à grande surface spécifique (2620 m2g-1), Des propriétés mécaniques supérieures avec un module d'Young de 1 tPA et une résistance intrinsèque de 130 GPa, une conductivité électronique extrêmement élevée (la mobilité des électrons à la température ambiante de 2,5 x 105 cm2 V-1s-1), La conductivité thermique très élevée (supérieure à 3000 K W m-1), Pour nommer les propriétés les plus importantes. En raison de ses propriétés de matériau de qualité supérieure, le graphène est largement utilisé dans le développement et la production de batteries de haute performance, piles à combustible, des cellules solaires, supercondensateur, des entrepôts d'hydrogène, des écrans électromagnétiques et des dispositifs électroniques. En outre, le graphène est incorporé dans de nombreux nanocomposites et des matériaux composites comme additif de renforcement, par exemple, dans les polymères, les céramiques et de matrices métalliques. En raison de sa conductivité élevée, le graphène est un élément important des peintures et des encres conductrices.
Le rapide et sûr préparation par ultrasons de graphène sans défaut à de gros volumes à des coûts bas permet d'élargir les applications de graphène plus en plus d'industries.

Littérature / Références


Des ultrasons de haute performance ! La gamme de produits Hielscher couvre l'ensemble du spectre, depuis les ultrasons compacts de laboratoire jusqu'aux systèmes ultrasoniques industriels complets, en passant par les unités de paillasse.

Hielscher Ultrasonics fabrique des homogénéisateurs à ultrasons de haute performance à partir d'une technologie de pointe. laboratoires à taille industrielle.


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