Grafén ultrahangos diszpergálása
A grafén kompozitokba történő beépítéséhez elengedhetetlen, hogy a grafént egyedi nanolapokká diszpergáljuk vagy exfoliáljuk, és egyenletesen eloszlassuk a teljes összetételben. Minél alaposabban bontjuk fel a grafén agglomerátumait, annál jobban hasznosíthatók rendkívüli anyagtulajdonságai. Az ultrahangos diszpergálás kiváló részecskeeloszlást és diszperzióstabilitást biztosít még nagy koncentráció és viszkozitás mellett is. Ez a módszer kiemelkedő diszpergálási minőséget nyújt, messze felülmúlva a hagyományos keverési technikákat.
Grafén ultrahangos diszpergálása
Ahhoz, hogy a kompozitokat a grafén kiemelkedő tulajdonságaival, például szilárdságával ruházzuk fel, a grafént egyenletesen kell diszpergálni a mátrixban, vagy vékonyréteg-bevonatként kell felvinni egy hordozófelületre. A létrejövő anyagtulajdonságokat befolyásoló fő tényezők közé tartozik az agglomeráció, az ülepedés, valamint a mátrixon belüli diszpergáltság vagy a hordozófelületen kialakuló részecskeeloszlás.
A grafén hidrofób jellege miatt felületaktív anyagok vagy diszpergálószerek nélkül nehéz stabil, nagy koncentrációjú diszperziót létrehozni. A van der Waals-erők leküzdéséhez nagy nyíróerők szükségesek, amelyek ultrahangos kavitációval hatékonyan előállíthatók. Ez a stabil diszperziók előállításának legkifinomultabb módszere.
Ipari ultrahangos kezelőberendezések a grafén nagy áteresztőképességű diszpergálásához.
Ultrahangos diszpergálóberendezéssel, például a 2kW teljesítményű UIP2000hdT, a 4kW teljesítményű UIP4000hdT, a 6kW teljesítményű UIP6000hdT vagy a 16kW teljesítményű UIP16000hdT ultrahangos kezelőberendezéssel könnyen előállítható nagy elektromos vezetőképességű (712 S·m-1), jó diszpergáltságú és nagy koncentrációjú grafén. Az ultrahangos kezelés stabil graféndiszperzió előállítását is lehetővé teszi alacsony, körülbelül 65°C-os folyamathőmérsékleten.
A grafén exfoliálására és diszpergálására szolgáló Hielscher ipari szondás ultrahangos kezelőberendezésekről itt találhatók további információk és műszaki részletek:
- UIP1000hdT (1000 watt teljesítményű ultrahang)
- UIP2000hdT (2000 watt teljesítményű ultrahang)
- UIP4000hdT (4000 watt teljesítményű ultrahang)
- UIP6000hdT (6000 watt teljesítményű ultrahang)
- UIP16000hdT (16 000 watt teljesítményű ultrahang)
Minden Hielscher ultrahangos kezelőberendezés lehetővé teszi az összes fontos folyamatparaméter pontos szabályozását; az ultrahangos diszpergálási technológia megakadályozza a grafén kémiai és kristályszerkezetének károsodását – így ép, hibamentes grafénpelyheket eredményez.
A Hielscher nagy teljesítményű ultrahangos berendezései nagy térfogatban képesek grafént és grafitot feldolgozni, például folyadékfázisú exfoliálás és graféndiszpergálás céljából. A folyamatparaméterek pontos szabályozása lehetővé teszi az ultrahangos folyamatok zökkenőmentes méretnövelését az asztali berendezésektől a teljes üzemi termelésig.
Az ultrahanggal exfoliált, körülbelül 3–4 rétegből álló és körülbelül 1μm méretű, kevés rétegű grafén legalább 63 mg/mL koncentrációban (újra)diszpergálható.
Grafén nanolemezkék SEM-képei (b) X3000 és (c) X8000 nagyítással
(Tanulmány és képek: ©Alizadeh és mtsai., 2018)
- kiváló minőségű grafén
- nagy áteresztőképesség / nagy kihozatal
- egyenletes diszpergálás
- nagy koncentráció
- nagy viszkozitások
- gyors folyamat
- alacsony költség
- rendkívül hatékony
- környezetbarát
7kW teljesítményű ultrahangos reaktor graféndiszperziókhoz
Ultrahangos homogenizátorok és diszpergálóberendezés grafénhez
A Hielscher Ultrasonics nagy teljesítményű ultrahangos rendszereket kínál tömbi, réteges grafén és grafit exfoliálásához és diszpergálásához egy-, két- és kevés rétegű grafénné. Megbízható ultrahangos feldolgozóberendezései és fejlett reaktorai biztosítják az adott folyamatcélok eléréséhez szükséges teljesítményt és pontos szabályozást.
Az egyik legfontosabb folyamatparaméter az ultrahangos amplitúdó, amely az ultrahangos rezgőfejnél fellépő rezgési elmozdulás. A Hielscher ipari ultrahangos berendezéseit nagyon nagy amplitúdók biztosítására tervezték, akár 200µm amplitúdó mellett is folyamatos üzemeléssel. Még nagyobb amplitúdókhoz egyedi ultrahangos szondák állnak rendelkezésre. Minden Hielscher ultrahangos kezelőberendezés folyamatparaméterei pontosan beállíthatók a szükséges folyamatkörülményekhez, és a beépített szoftverrel nyomon követhetők, ami nagy megbízhatóságot, egyenletes minőséget és reprodukálható eredményeket biztosít. A Hielscher ultrahangos kezelőberendezések robusztus kialakítása megterhelő környezetben is 24/7 üzemelést tesz lehetővé, így az ultrahangos kezelés az egy- és kevés rétegű grafén nanolapok nagyüzemi előállításának előnyben részesített technológiája.
A Hielscher ultrahangos berendezések és tartozékok széles választékát kínálja, beleértve a különböző méretű és geometriájú szonotródákat és reaktorokat. Ez lehetővé teszi az optimális reakciókörülmények és tényezők, például a reagensek, az egységnyi térfogatra jutó ultrahangos energiabevitel, a nyomás, a hőmérséklet és a térfogatáram kiválasztását a legjobb minőség eléréséhez. Ultrahangos reaktoraikban akár több száz barg nyomás is létrehozható, ami lehetővé teszi a nagy viszkozitású paszták (akár 250 000 centipoise) ultrahangos kezelését.
Ezek a képességek az ultrahangos delaminálást, exfoliálást és diszpergálást a hagyományos aprítási és őrlési technikáknál előnyösebbé teszik.
A Hielscher ultrahangos kezelőberendezései a piacon kapható legkifinomultabb ultrahangos homogenizátorok. Használja ki a Hielscher ultrahangos kezelőberendezései által kínált számos előnyt!
A grafén nanolemezkék UP100H ultrahangos kezelőberendezéssel végzett ultrahangos szintézisét szemléltető ábra
(Tanulmány és ábra: Ghanem és Rehim, 2018)
Hielscher ultrahangos kezelőberendezések grafénhez:
- nagy teljesítményű ultrahang
- nagy nyíróerők
- nagy nyomások alkalmazhatók
- pontos szabályozás
- zökkenőmentes méretnövelés (lineáris)
- szakaszos és átfolyásos üzem
- reprodukálható eredmények
- megbízhatóság
- robusztusság
- nagy energiahatékonyság
Hasznos tudnivalók
Mi a grafén?
A grafén egy atom vastagságú szénréteg, amely egyrétegű vagy 2D grafénszerkezetként írható le (egyrétegű grafén = SLG). A grafén rendkívül nagy fajlagos felülettel és kiváló mechanikai tulajdonságokkal rendelkezik (Young-modulusa 1 TPa, saját szilárdsága 130 GPa), nagy elektromos és hővezető képességet, töltéshordozó-mobilitást és átlátszóságot biztosít, valamint gázok számára átjárhatatlan. Ezen anyagtulajdonságai miatt a grafént erősítő adalékanyagként használják, hogy a kompozitoknak átadja szilárdságát, vezetőképességét stb. A grafén tulajdonságainak más anyagokkal való egyesítéséhez a grafént diszpergálni kell az anyagkeverékben, vagy vékonyréteg-bevonatként kell felvinni egy hordozófelületre.
A grafén nanolapok diszpergálásához folyadékfázisként gyakran használt, elterjedt oldószerek közé tartozik a dimetil-szulfoxid (DMSO) , az N,N-dimetil-formamid (DMF), az N-metil-2-pirrolidon (NMP), a tetrametil-karbamid (TMU, a tetrahidrofurán (THF), a „propylene carbonateacetone” (PC), az etanol és a formamid.
Diszpergálható a grafén vízben?
Igen, a grafén vízben diszpergálható felületaktív anyagok, polimerek vagy más stabilizálószerek használatával, amelyek megakadályozzák az aggregációt és fenntartják a diszperzió stabilitását. A megbízható diszpergálóberendezések, például a szondás ultrahangos kezelőberendezések szintén kulcsszerepet játszanak a grafén diszpergálásában: ultrahangos energiával felbontják az agglomerátumokat és csökkentik a grafénrészecskék méretét, elősegítve az egyenletesebb és stabilabb diszperzió kialakulását a folyékony közegben.
Feloldódhat a grafén-oxid vízben?
Igen, a grafén-oxid feloldódhat vízben az oxigéntartalmú funkciós csoportjai révén, amelyek fokozzák hidrofil jellegét és lehetővé teszik stabil vizes diszperziók kialakulását.
Melyik a legjobb oldószer a grafén diszpergálásához?
A grafén diszpergálásához a legjobb oldószer az N-metil-2-pirrolidon (NMP), nagy polaritása és a grafénlapokat stabilizáló képessége miatt, amelyek egyenletes és stabil diszperziót eredményeznek.
Miért oldhatatlan a grafén vízben?
A grafén azért oldhatatlan vízben, mert nincsenek olyan funkciós csoportjai, amelyek kölcsönhatásba léphetnének a vízmolekulákkal; emiatt hidrofób, és a grafénlapok közötti erős van der Waals-erők miatt aggregációra hajlamos.
Miért használják a grafént kompozitokban?
A grafén egy atomnyi vastagságával a legvékonyabb, körülbelül 0,77 mg-os, 1m2 területre jutó tömegével a legkönnyebb, 150 000 000 psi húzási merevségével (az acélnál 100–300-szor erősebb) és 130 000 000 000 pascal szakítószilárdságával pedig a legerősebb ismert anyag.
Ezenkívül a grafén a legjobb hővezető (szobahőmérsékleten (4,84±0,44) × 103 –(5,30±0,48) × 103 W·m-11·K-1) és a legjobb elektromos vezető (az elektronmobilitás nagyobb mint 15 000 cm2·V-1·s-1).
A grafén további fontos jellemzője az optikai tulajdonsága: a fehér fény πα≈2,3%-át nyeli el, és megjelenése átlátszó.
A grafén mátrixokba történő beépítésével ezek a kiemelkedő anyagtulajdonságok átadhatók a létrejövő kompozitnak, amely egyedülálló funkcionalitást kínál. Az ilyen grafénnel erősített kompozitok új lehetőségeket nyitnak az anyagfejlesztés és az ipari alkalmazások számára. Tulajdonságaiknak köszönhetően a grafén és a grafénkompozitok már széles körben elterjedtek a nagy teljesítményű akkumulátorok, szuperkondenzátorok, vezető tinták, bevonatok, fotovoltaikus rendszerek és elektronikus eszközök gyártásában
A Hielscher ultrahangos kezelőberendezései biztosítják a van der Waals-erők leküzdéséhez szükséges nagy nyíróerőket, hogy a grafén nanolapok egyenletesen oszoljanak el a kompozitmátrixokban. A grafénnel és grafén-oxiddal erősített nanokompozitok előállításához olyan ultrahangos diszpergálóberendezéseket használnak, mint a UIP2000hdT vagy a UIP16000.
Szakirodalom/Hivatkozások
- 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.
A Hielscher Ultrasonics nagy teljesítményű ultrahangos homogenizátorokat gyárt a laboratóriumi mérettől az ipari méretig.