Egyrétegű amorf szén (MAC) ultrahangos diszpergálása folyadékokban
Az egyrétegű amorf szén (MAC) új, szénalapú nanoanyag, amely kivételes mechanikai szilárdsággal, rugalmassággal és vezetőképességgel rendelkezik. Folyékony mátrixokba való beépítése kulcsfontosságú a nagy teljesítményű kompozitokban, az energiatárolásban, a bevonatokban és az elektronikai anyagokban történő alkalmazásokhoz. A MAC egyenletes és stabil diszperziójának elérése azonban kihívást jelent az erős van der Waals-kölcsönhatások és az aggregációra való hajlam miatt. A Hielscher szondás ultrahangos készülékeivel végzett ultrahangos diszpergálás skálázható és rendkívül hatékony megoldást kínál a MAC-csoportosulások szétbontására és a folyadékfázisokban való homogén eloszlás biztosítására.
A MAC diszpergálásának kihívásai
Ultravékony szerkezete és nagy felületi energiája miatt a MAC folyékony közegbe juttatva természetes módon többrétegű halmazokká aggregálódik. A hagyományos keverési vagy nyírási módszerek gyakran nem képesek hatékonyan diszpergálni a MAC-ot, ami a következőkhöz vezet:
- A kompozitanyagok gyenge homogenitása
- Az agglomeráció miatt romló mechanikai tulajdonságok
- A folyamat korlátozott skálázhatósága
Az ultrahangos kavitáció károsodást nem okozó, hatékony és skálázható technikát kínál diszpergált, egyrétegű MAC előállítására különböző oldószerekben, polimermátrixokban és reaktív készítményekben.
Ultrahangos diszpergálás: mechanizmus és előnyök
A szondás ultrahangos készülékek intenzív akusztikus kavitációt hoznak létre a folyadékokban, ami helyileg nagy nyíróerőket, mikrosugarakat és lökéshullámokat eredményez. Ezek a szélsőséges körülmények hatékonyan szétbontják a MAC-aggregátumokat, szétválasztják az összegabalyodott nanolemezeket, és egyenletesen eloszlatják őket. Az ultrahangos diszpergálás legfontosabb előnyei:
- Hatékony exfoliáció: A többrétegű MAC-ot egyrétegűvé alakítja
- Nagy stabilitás: A felületaktív anyagok és az oldószerek kölcsönhatásainak optimalizálásával megakadályozza az újbóli aggregációt
- A folyamat skálázhatósága: Alkalmas laboratóriumi kutatásra, kísérleti gyártásra és teljes léptékű ipari gyártásra
- Szabályozott feldolgozás: Az állítható paraméterek (amplitúdó, idő, nyomás, hőmérséklet) lehetővé teszik az adott alkalmazásokhoz történő optimalizálást
Hielscher szondás ultrahangos készülékek: skálázható megoldások a MAC diszpergálására
A Hielscher Ultrasonics korszerű ultrahangos feldolgozóberendezéseket kínál, amelyek a MAC diszpergálásának minden léptékét lefedik, a kis laboratóriumi mintáktól a nagy léptékű, folyamatsorba épített ipari eljárásokig. Moduláris és testre szabható rendszereik páratlan pontosságot és hatékonyságot biztosítanak.
UP400St ultrahangos készülék szénnanorészecskék homogén diszpergálására
A MAC laboratóriumi léptékű diszpergálása
A kutatás és fejlesztés során a Hielscher UP200Ht (200W) és UP400St (400W) ultrahangos készülékmodelljei lehetővé teszik a diszpergálási paraméterek pontos szabályozását. Ezek az ultrahangos készülékek a következőket teszik lehetővé:
- Kis tételek feldolgozása gyors megvalósíthatósági vizsgálatokhoz
- A paraméterek optimalizálása az ideális amplitúdó és feldolgozási idő meghatározásához
- Reprodukálhatóság az összetétel finomításához
Kísérleti és közepes léptékű gyártás
Kísérleti léptékű vagy kisebb ipari gyártáshoz az UIP1000hdT (1kW) és az UIP2000hdT (2kW) nagyobb teljesítményt kínál, miközben megőrzi a diszperzió minőségének finoman hangolható szabályozását. Jellemzőik közé tartoznak:
- Folyamatos feldolgozás a nagyobb áteresztőképesség érdekében
- Átfolyó cellás reaktorok a folyamatsorba épített diszpergálás lehetővé tételére
- A nyomás alá helyezhető átfolyó cellák lehetővé teszik a megemelt nyomáson végzett feldolgozást
Ipari léptékű, folyamatsorba épített diszpergálás
Nagy volumenű MAC-diszpergáláshoz a Hielscher UIP4000hdT, UIP6000hdT és UIP16000hdT sorozatai (egységenként 4kW–16kW) lehetővé teszik a folyamatos, folyamatsorba épített diszpergálást, ipari szinten biztosítva a hatékonyságot és a reprodukálhatóságot. Előnyeik közé tartoznak:
- Nagy feldolgozási kapacitás: Nagy léptékű kompozit- és bevonatgyártásra tervezve
- Skálázható moduláris kialakítás: Több egység párhuzamosan működtethető
- Folyamatautomatizálás: Integráció érzékelőkkel és vezérlőrendszerekkel a valós idejű felügyelethez
Hogyan érhető el az egyrétegű amorf szén optimális diszpergálása?
A legjobb diszperziós minőség eléréséhez optimalizálni kell a legfontosabb feldolgozási paramétereket:
A Hielscher szondás ultrahangos készülékeivel végzett ultrahangos diszpergálás bevált, skálázható és rendkívül hatékony technika az egyrétegű amorf szén folyadékokban történő feldolgozására. Akár kis laboratóriumi léptékben, akár teljes ipari gyártásban alkalmazzák őket, a Hielscher ultrahangos készülékei homogén, stabil diszperziókat biztosítanak, kiaknázva az egyrétegű amorf szén (MAC) teljes potenciálját a következő generációs, nagy teljesítményű kompozitok, vezetőképes bevonatok és nanoanyagokkal javított termékek előállításában.
Az alábbi táblázat tájékoztatást ad ultrahangos készülékeink hozzávetőleges feldolgozási kapacitásáról:
| Tételtérfogat | Térfogatáram | Ajánlott készülékek |
|---|---|---|
| 0,5–1,5mL | n.a. | VialTweeter |
| 1–500mL | 10–200mL/min | UP100H |
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1–20L | 0,2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000hdT |
| 15–150L | 3–15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10–100L/min | UIP16000hdT |
| n.a. | nagyobb | berendezéscsoport: UIP16000hdT |
- nagy hatékonyság
- korszerű technológia
- megbízhatóság és robusztusság
- állítható, pontos folyamatszabályozás
- szakaszos és folyamatsorba épített feldolgozás
- bármilyen térfogathoz
- intelligens szoftver
- intelligens funkciók (pl. programozhatóság, adatnaplózás, távvezérlés)
- egyszerű és biztonságos kezelés
- csekély karbantartási igény
- CIP (helyben történő tisztítás)
Tervezés, gyártás és tanácsadás – Németországban készült minőség
A Hielscher ultrahangos készülékei a legmagasabb minőségi és tervezési színvonalukról ismertek. Robusztusságuk és egyszerű kezelésük lehetővé teszi ultrahangos készülékeink zökkenőmentes integrációját az ipari létesítményekbe. A Hielscher ultrahangos készülékei könnyedén megbirkóznak a zord körülményekkel és az igényes környezetekkel.
A Hielscher Ultrasonics ISO-tanúsítvánnyal rendelkező vállalat, és különös hangsúlyt fektet a korszerű technológiát és felhasználóbarát működést kínáló, nagy teljesítményű ultrahangos készülékekre. A Hielscher ultrahangos készülékei természetesen megfelelnek a CE előírásainak, valamint teljesítik az UL, CSA és RoHs követelményeit.
UIP16000hdT ipari ultrahangos készülék nanodiszperziók előállítására nagy áteresztőképesség mellett
Szakirodalom / Hivatkozások
- 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.
Gyakran ismételt kérdések
Mi az egyrétegű amorf szén?
Az egyrétegű amorf szén (MAC) a szén egyetlen atom vastagságú, nem kristályos formája, amelyet jellemzően kémiai gőzfázisú leválasztással (CVD) vagy más vékonyréteg-leválasztási technikákkal szintetizálnak. A jól rendezett hexagonális ráccsal rendelkező grafénnel ellentétben a MAC-ban nincs hosszú távú atomi rendezettség, és atomi léptékben rendezetlen, mégis egyenletes szerkezetet mutat.
Mi az amorf szén?
Az amorf szén (a-C) a szén nem kristályos allotróp módosulata, amelyet a hosszú távú periodikus atomi rendezettség hiánya jellemez. sp² (grafitos) és sp³ (gyémántszerű) hibridizációjú szénatomok keverékét tartalmazza; tulajdonságai a leválasztási módszertől és a hidrogéntartalomtól függően változnak. Változatai közé tartozik a hidrogénezett amorf szén (a-C:H), a tetraéderes amorf szén (ta-C) és a gyémántszerű szén (DLC).
Elérhető az egyrétegű amorf szén tömbi anyagként?
Nem, az egyrétegű amorf szén kétdimenziós jellege miatt nem érhető el tömbi anyagként. Hordozókon, ultravékony filmként szintetizálják, és nem állítható elő nagy mennyiségű, önhordó tömbi anyagként, mint a grafit vagy a gyémánt.
Mi a különbség az amorf szén és a kristályos szén között?
Az elsődleges különbség az atomok elrendezésében rejlik. A kristályos szénnek (pl. grafit, gyémánt) jól meghatározott periodikus rácsa van, míg az amorf szénből hiányzik a hosszú távú rendezettség. Ez a szerkezeti különbség befolyásolja az elektronikai, mechanikai és optikai tulajdonságokat – a kristályos formák anizotrópiát és jellegzetes sávszerkezeteket mutatnak, míg az amorf szén izotróp tulajdonságokkal és változó elektromos vezetőképességgel rendelkezik.
Milyen formái vannak a szénnek?
A szén több allotróp módosulatban létezik, többek között:
- Kristályos formák: gyémánt, grafit, grafén, szénnanocsövek (CNT-k), fullerének (pl. C₆₀).
- Amorf formák: faszén, korom, ipari korom, üvegszerű szén, gyémántszerű szén (DLC), egyrétegű amorf szén (MAC).
- Hibrid nanoszerkezetek: nanogyémántok, szénhagymák, szénaerogélek és olyan kompozitok, mint a nanoszén–fém hibridek.
Mindegyik forma sajátos fizikai-kémiai tulajdonságokkal rendelkezik, amelyek jelentősek az anyagtudományi, elektronikai és energiatárolási alkalmazások szempontjából.
A Hielscher Ultrasonics nagy teljesítményű ultrahangos homogenizátorokat gyárt a laboratóriumi mérettől az ipari méretig.