A vízben diszpergálható grafén ultrahangos hámlasztása
- Az egy- és kétrétegű grafén nanolemezek gyorsan előállíthatók ultrahangos hámlasztással, nagy áteresztőképességgel és alacsony költséggel.
- Az ultrahanggal hámlasztott grafén biopolimerekkel funkcionálható vízben diszpergálható grafén előállítása érdekében.
- Ultrahangos kavitációval a szintetizált grafén tovább feldolgozható stabil vízalapú diszperzióvá.
Kiváló minőségű grafén ultrahangos hámlasztása
Az ultrahangos kezelés megbízható módszer grafén rétegek (mono-, két- és néhány rétegű grafén) előállítására grafit pelyhekből vagy részecskékből. Míg más gyakori hámlasztási technikák, mint például a golyós- és tekercsmalmok vagy a nagy nyíróképességű keverők az alacsony minőséghez és az agresszív reagensek és oldószerek használatához kapcsolódnak, az ultrahangos hámlasztási módszer meggyőzi a kiváló minőségű kimenetet, a nagy folyamatkapacitást és az enyhe feldolgozási feltételeket.
Az ultrahangos kavitáció intenzív nyíróerőket hoz létre, amelyek elválasztják a halmozott grafit rétegeket mono-, két- és néhány hibamentes grafénrétegre.
Vízben diszpergálható grafén lemezek szonikálással
Az ultrahangos kezelés hatékony eljárás, megismételhető eredményekkel, hogy kibontsa a szénnanocsöveket vízben vagy szerves oldószerekben. [/caption] Normál körülmények között a grafén alig diszpergálható vízben, és vizes közegben diszpergálva aggregátumokat és agglomerátumokat képez. Mivel a vizes rendszerek jelentős előnye, hogy olcsóak, a nem mérgező, környezetbarát, vízalapú grafén rendszerek rendkívül vonzóak a graféngyártók és a feldolgozóipar számára.
A vízben diszpergálható grafén nanolemezek előállítása érdekében az ultrahanggal hámlasztott grafént poliszacharidokkal / biopolimerekkel, például pullulánnal, kitozánnal, algináttal, zselatinnal vagy gumiarábikummal módosítják.
- kiváló minőségű grafén
- magas hozam
- vízalapú diszperzió
- magas koncentráció
- nagy hatékonyság
- gyors folyamat
- alacsony költség
- Nagy áteresztőképesség
- környezetbarát
Ultrahangos reaktor szonda típusú ultrahangos készülékekkel ipari méretű grafén hámlasztáshoz
A grafit közvetlen hámlasztásának protokollja ultrahanggal
A nem ionos pullulánt és az anionos alginátot (1,0 g) külön-külön feloldottuk 20 ml desztillált vízben, míg a kationos kitozánt (0,4 g) 20 ml desztillált vízben oldottuk 1 tömeg% ecetsavval. A grafitport diszpergáltuk a vizes biopolimer oldatokban, és szonda típusú ultrahangos készülékkel kezeltük UP200S (maximális teljesítmény 200 W, frekvencia 24 kHz, Hielscher Ultrasonics, Németország), titán sonotrode (mikro csúcs S3, csúcsátmérő 3 mm, maximális amplitúdó 210μm, akusztikus teljesítménysűrűség vagy felületi intenzitás 460 W cm-2) a következő feltételek mellett: 0,5 ciklus és 50% amplitúdó, 10, 20, 30 és 60 percig. A legjobb eredményeket 30 perces ultrahangos kezelés során kaptuk. Az ultrahangos kezelést 16,25 W teljesítményen alkalmaztuk 30 percig, energiafogyasztással (energiateljesítmény egységnyi térfogatra) 731 Ws ml-1.
Ezt követően a keverékeket 1500 fordulat / perc sebességgel 60 percig centrifugáltuk a hámlasztatlan grafit részecskék eltávolítása érdekében, majd 5-ször mostuk, majd ismét centrifugáltuk 5000 fordulat / perc sebességgel 20 percig, hogy eltávolítsuk a felesleges biopolimereket. Az így kapott sötétszürke oldatokat vákuumban 40 °C-on szárítottuk, amíg tömegveszteség nem következett be. A kapott polimer-grafén porokat vízben újra diszpergáltuk (1 mg ml-1 pullulánra és kitozánra, 0,18 mg ml-1 alginátra) jellemzésre. A pullulán-, alginát- és kitozán-segített ultrahangozással nyert grafénlemezeket pull-G, alg-G és chit-G néven jeleztük.
A három rendszer közül a pullulan és a kitozán hatékonyabb volt a grafit hámlasztásában, mint az alginát. Ez a módszer hámlasztott mono-, két- és kétrétegű grafénlemezeket eredményezett, amelyek csak alacsony oldalsó (élek) hibákkal rendelkeztek. A biopolimerek grafén felületen történő adszorpciója a vizes diszperzió hosszan tartó stabilitását (több mint 6 hónap) biztosítja.
(vö. Unalan et al. 2015)
A képkockák nagy sebességű szekvenciája (a-tól f-ig), amely szemlélteti a grafitpehely vízben történő szonomechanikus hámlását az UP200S, egy 200 W-os ultrahangos készülék 3 mm-es sonotrode-val. A nyilak a hasítás (hámlás) helyét mutatják, kavitációs buborékokkal, amelyek behatolnak a hasításba.
(tanulmány és képek: © Tyurnina et al. 2020
A húzó-G TEM-képei: a) 10 perc; b) 20 perc; c) 30 perc; d) 60 perc; e) chit-G 30 percig; f) alg-G 30 percig (Unalan et al. 2015)
Ultrahangos készülékek grafén hámláshoz
A Hielscher nagy teljesítményű ultrahangos processzorokat világszerte használják a grafit és a grafén sikeres hámlasztására és diszperziójára. Ultrahangos diszpergálószereink laboratóriumi és asztali számítógépektől a teljes ipari termelési egységekig kaphatók. A robusztusság, a 24/7 működés és az alacsony karbantartás mellett a Hielscher ultrasonicators meggyőzi a nagy könnyű feldolgozást és a lineáris méretezhetőséget.
A folyamatok könnyen tesztelhetők és optimalizálhatók a laboratóriumban. Ezt követően az összes folyamateredmény teljesen lineárisan skálázható a kereskedelmi termelési szintre. Ez teszi az ultrahangos kezelést hatékony és hatékony gyártási módszerré a nagy mennyiségű, kiváló minőségű grafénlemezek számára.
Hielscher Ultrasonics ipari ultrahangos processzorok képesek szállítani nagyon nagy amplitúdó. Akár 200 μm-es amplitúdók is könnyedén működtethetők folyamatosan 24/7 üzemben. Még nagyobb amplitúdók esetén testreszabott ultrahangos sonotrodes áll rendelkezésre. A megfelelő ultrahangos reaktorok biztosítják a kiváló minőségű grafén nanolemezek megbízható és biztonságos tömeggyártását, valamint a stabil nanolemez diszperziókat.
A Hielscher ultrahangos berendezésének robusztussága lehetővé teszi az 24/7 működést nagy teherbírású és igényes környezetben.
Az alábbi táblázat jelzi ultrahangos készülékeink hozzávetőleges feldolgozási kapacitását:
| Kötegelt mennyiség | Áramlási sebesség | Ajánlott eszközök |
|---|---|---|
| 10 és 2000 ml között | 20–400 ml/perc | UP200Ht, UP400ST |
| 0.1-től 20L-ig | 0.2-től 4 liter/percig | UIP2000hdT |
| 10–100 liter | 2–10 l/perc | UIP4000 |
| n.a. | 10–100 l/perc | UIP16000 |
| n.a. | Nagyobb | klaszter UIP16000 |
Kapcsolat! / Kérdezzen tőlünk!
A 2D nanolemezek ultrahangos hámlasztásának mechanizmusa.
(tanulmány és grafika: Tyurnina et al., 2020)
Tények, amelyeket érdemes tudni
grafén
A grafén egy egyrétegű sp2-kötött szénatomok. A grafén egyedülálló anyagjellemzőkkel rendelkezik, mint például a rendkívül nagy fajlagos felület (2620 m)2g-1), kiváló mechanikai tulajdonságokkal, 1 TPa Young-modulussal és 130 GPa belső szilárdsággal, rendkívül magas elektronikus vezetőképességgel (szobahőmérsékletű elektronmobilitás 2,5 × 105 cm2 V-1s-1), nagyon magas hővezető képesség (3000 W m K felett-1), hogy megnevezze a legfontosabb tulajdonságokat. Kiváló anyagtulajdonságai miatt a grafént erősen használják nagy teljesítményű akkumulátorok, üzemanyagcellák, napelemek, szuperkondenzátorok, hidrogéntárolók, elektromágneses pajzsok és elektronikus eszközök fejlesztésében és gyártásában. Ezenkívül a grafént erősítő adalékként számos nanokompozitba és kompozit anyagba beépítik, pl. polimerekben, kerámiákban és fémmátrixokban. Magas vezetőképessége miatt a grafén a vezetőképes festékek és tinták fontos összetevője.
Gyors és biztonságos hibamentes grafén ultrahangos előállítása Nagy mennyiségben, alacsony költséggel lehetővé teszi a grafén alkalmazásának kiterjesztését egyre több iparágra.
Irodalom/Hivatkozások
- FactSheet: Ultrasonic Graphene Exfoliation and Dispersion – Hielscher Ultrasonics – english version
- FactSheet: Exfoliación y Dispersión de Grafeno por Ultrasonidos – Hielscher Ultrasonics – spanish version
- 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.
- Unalan I.U., Wan C., Trabattoni S., Piergiovannia L., Farris S. (2015): Polysaccharide-assisted rapid exfoliation of graphite platelets into high quality water-dispersible graphene sheets. RSC Advances 5, 2015. 26482–26490.
- del Bosque, A.; Sánchez-Romate, X.F.; Sánchez, M.; Ureña, A. (2022): Easy-Scalable Flexible Sensors Made of Carbon Nanotube-Doped Polydimethylsiloxane: Analysis of Manufacturing Conditions and Proof of Concept. Sensors 2022, 22, 5147.
Hielscher Ultrasonics gyárt nagy teljesítményű ultrahangos homogenizátorok labor hoz ipari méret.