Ultrazvučna disperzija grafena
Za ugradnju grafena u kompozite, bitno je raspršiti ili ljuštiti grafen u pojedinačne nano-listove ravnomjerno kroz formulaciju. Što je grafen temeljitije deaglomeriran, to se njegova izvanredna svojstva materijala mogu bolje iskoristiti. Ultrazvučna disperzija nudi vrhunsku distribuciju čestica i stabilnost disperzije, čak i pri visokim koncentracijama i viskoznostima. Ova metoda pruža izvanrednu kvalitetu disperzije, daleko nadmašujući konvencionalne tehnike miješanja.
Ultrazvučna disperzija grafena
Kako bi se kompozitima dale izvanredne karakteristike grafena, kao što je njegova čvrstoća, grafen se mora ravnomjerno raspršiti u matricu ili nanijeti kao premaz tankog filma na podlogu. Ključni čimbenici koji utječu na rezultirajuća svojstva materijala uključuju aglomeraciju, sedimentaciju i disperziju unutar matrice ili raspodjelu čestica na podlozi.
Zbog hidrofobne prirode grafena, stvaranje stabilne i visoko koncentrirane disperzije bez surfaktanata ili disperzanata je izazovno. Prevladavanje van der Waalsovih sila zahtijeva jake posmične sile, koje se mogu učinkovito generirati ultrazvučnom kavitacijom. Ova metoda je najsofisticiranija za pripremu stabilnih disperzija.
Industrijski sonikatori za visokoučinkovitu disperziju grafena.
Više informacija i tehničkih detalja o Hielscher industrijskim sonikatorima za eksfolijaciju i disperziju grafena možete pronaći ovdje:
- UIP1000hdT (ultrazvuk snage 1000 W)
- UIP2000hdT (ultrazvuk snage 2000 W)
- UIP4000hdT (ultrazvuk snage 4000 W)
- UIP6000hdT (ultrazvuk snage 6000 W)
- UIP16000hdT (ultrazvuk snage 16.000 W)
Svi Hielscher sonikatori omogućuju preciznu kontrolu nad svim važnim procesnim parametrima, tehnologija ultrazvučne disperzije izbjegava oštećenja kemijske i kristalne strukture grafena – što rezultira netaknutim grafenskim ljuskicama bez nedostataka.
Hielscher moćni ultrasonicators su sposobni za obradu grafena i grafita u velikim količinama, npr. za tekuću fazu eksfolijacije i grafena disperzije. Točna kontrola nad parametrima procesa omogućuje besprijekorno povećanje ultrazvučnih procesa od bench-top do potpuno komercijalne proizvodnje.
Ultrazvučno ljušteni višeslojni grafen s cca. 3-4 sloja i cca. veličine 1 μm može se (re)dispergirati u koncentracijama od najmanje 63 mg/mL.
SEM slike grafenskih nanopločica na (b) X3000 i (c) X8000
(Studija i slike: ©Alizadeh et al., 2018.)
- visokokvalitetni grafen
- visoka propusnost / visoki prinosi
- jednolika disperzija
- visoka koncentracija
- visoke viskoznosti
- brz proces
- niska cijena
- Visoko učinkovit
- ekološki prihvatljivo
7kW ultrazvučni reaktor za disperzije grafena
Ultrazvučni homogenizatori i raspršivači za grafen
Hielscher Ultrasonics pruža ultrazvučne sustave velike snage za ljuštenje i raspršivanje skupnog slojevitog grafena i grafita u jedno-, dvo- i višeslojni grafen. Njihovi pouzdani ultrazvučni procesori i napredni reaktori isporučuju potrebnu snagu i preciznu kontrolu za postizanje specifičnih ciljeva procesa.
Jedan od najvažnijih parametara procesa je ultrazvučna amplituda, što je vibracijski pomak na ultrazvučnom sirenu. Hielscher industrijski ultrazvučni uređaji dizajnirani su za isporuku vrlo visokih amplituda, s kontinuiranim radom na do 200µm. Za još veće amplitude dostupne su prilagođene ultrazvučne sonde. Parametri procesa svih Hielscher sonikatora mogu se precizno prilagoditi potrebnim uvjetima procesa i pratiti putem ugrađenog softvera, osiguravajući visoku pouzdanost, dosljednu kvalitetu i ponovljive rezultate. Robusni dizajn Hielscher sonikatora napravljen je za 24/7 rad u zahtjevnim okruženjima, što ultrazvuk čini preferiranom tehnologijom za veliku proizvodnju jednoslojnih i višeslojnih grafenskih nanoploča.
Hielscher nudi širok raspon ultrazvučnih uređaja i pribora, uključujući sonotrode i reaktore različitih veličina i geometrija. To omogućuje odabir optimalnih reakcijskih uvjeta i faktora, kao što su reagensi, unos ultrazvučne energije po volumenu, tlak, temperatura i brzina protoka, kako bi se postigla najviša kvaliteta. Njihovi ultrazvučni reaktori mogu biti pod pritiskom do nekoliko stotina bara, čineći sonikaciju visoko viskoznih pasta (do 250.000 centipoise) izvedivom.
Ove mogućnosti čine ultrazvučnu delaminaciju, eksfolijaciju i raspršivanje superiornijim od konvencionalnih tehnika mljevenja i mljevenja.
Hielscher sonikatori su najsofisticiraniji ultrazvučni homogenizatori na tržištu. Iskoristite brojne prednosti koje dolaze s Hielscher sonikatorima!
Grafička vizualizacija ultrazvučne sinteze grafenskih nanopločica pomoću sonikatora UP100H
(Studija i grafika: Ghanem i Rehim, 2018.)
Hielscher sonikatori za grafen:
- ultrazvuk velike snage
- velike sile smicanja
- primjenjivi visoki pritisci
- precizna kontrola
- besprijekorna skalabilnost (linearna)
- šaržni i protočni
- ponovljivi rezultati
- pouzdanost
- robusnost
- visoka energetska učinkovitost
Činjenice koje vrijedi znati
Što je grafen?
Grafen je sloj ugljika debljine jednog atoma, koji se može opisati kao jednoslojna ili 2D struktura grafena (single layer graphene = SLG). Grafen ima izvanredno veliku specifičnu površinu i vrhunska mehanička svojstva (Youngov modul od 1 TPa i intrinzičnu čvrstoću od 130 GPa), nudi veliku elektronsku i toplinsku vodljivost, pokretljivost nositelja naboja, prozirnost i nepropustan je za plinove. Zbog ovih karakteristika materijala, grafen se koristi kao aditiv za pojačanje kako bi se kompozitima dala njegova čvrstoća, vodljivost itd. Kako bi se karakteristike grafena kombinirale s drugim materijalima, grafen se mora dispergirati u spoju ili se nanosi kao tankoslojni premaz na podlogu.
Uobičajena otapala, koja se često koriste kao tekuća faza za disperziju grafenskih nanoploča, uključuju dimetil sulfoksid (DMSO), N,N-dimetilformamid (DMF), N-metil-2-pirolidon (NMP), tetrametilureu (TMU, tetrahidrofuran (THF) , propilen karbonataceton (PC), etanol i formamid.
Može li se grafen raspršiti u vodi?
Da, grafen se može dispergirati u vodi pomoću surfaktanata, polimera ili drugih stabilizirajućih sredstava kako bi se spriječilo nakupljanje i održala stabilnost disperzije. Pouzdana oprema za raspršivanje kao što su sonikatori također igraju ključnu ulogu u disperziji grafena korištenjem ultrazvučne energije za razbijanje aglomerata i smanjenje veličine čestica grafena, promičući ujednačeniju i stabilniju disperziju u tekućem mediju.
Može li se grafen oksid otopiti u vodi?
Da, grafen oksid se može otopiti u vodi zbog svojih funkcionalnih skupina koje sadrže kisik, koje povećavaju njegovu hidrofilnost i omogućuju mu stvaranje stabilnih vodenih disperzija.
Koje je najbolje otapalo za raspršivanje grafena?
Najbolje otapalo za raspršivanje grafena je N-metil-2-pirolidon (NMP) zbog svoje visoke polarnosti i sposobnosti da stabilizira grafenske listove, što rezultira ujednačenom i stabilnom disperzijom.
Zašto je grafen netopljiv u vodi?
Grafen je netopljiv u vodi jer mu nedostaju funkcionalne skupine koje mogu komunicirati s molekulama vode, što ga čini hidrofobnim i sklonim agregaciji zbog jakih van der Waalsovih sila između ploča grafena.
Zašto se grafen koristi u kompozitima?
Grafen je s debljinom od jednog atoma najtanji, s težinom od cca. 0,77 mg po 1 m2 najlakši i s vlačnom čvrstoćom od 150 000 000 psi (100-300 puta jači od čelika) i vlačnom čvrstoćom od 130 000 000 000 Pascala najjači poznati materijal.
Nadalje, grafen je najbolji toplinski vodič (na sobnoj temperaturi s (4,84±0,44) × 103 do (5,30±0,48) × 103 W·m-11·K-1) i najbolji električni vodič (pokretljivost elektrona veća od 15 000 cm2·V-1·s-1).
Druga važna karakteristika grafena je njegovo optičko svojstvo s apsorpcijom svjetlosti na πα≈2,3% bijele svjetlosti i njegov proziran izgled.
Ugradnjom grafena u matrice, te izvanredne karakteristike materijala mogu se prenijeti na dobiveni kompozit koji nudi jedinstvene funkcionalnosti. Takvi kompoziti ojačani grafenom nude nove mogućnosti za razvoj materijala i industrijske primjene. Zbog svojih karakteristika, grafen i grafen-kompoziti već su široko rasprostranjeni u proizvodnji baterija visokih performansi, superkondenzatora, vodljivih tinti, premaza, fotonaponskih sustava i elektroničkih uređaja
Hielscher sonikatori isporučuju potrebne visoke sile smicanja za prevladavanje van der Waalsovih sila kako bi se grafenske nanoploče ravnomjerno rasporedile u kompozitne matrice. Ultrazvučni raspršivači kao što su UIP2000hdT ili UIP16000 koriste se za proizvodnju nano-kompozita ojačanih grafenom i grafen oksidom.
Literatura/Reference
- 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 proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi od laboratorija do industrijska veličina.