Vízbázisú grafén hámlasztás
Az ultrahangos hámlasztás lehetővé teszi néhány rétegű grafén előállítását anélkül, hogy kemény oldószereket használna, csak tiszta vízzel. A nagy teljesítményű szonikálás rövid kezelés alatt delaminálja a grafén lemezeket. Az oldószerek elkerülése zöld, fenntartható folyamattá változtatja a grafén hámlást.
Graféngyártás folyékony fázisú hámlasztással
A grafént kereskedelmi forgalomban úgynevezett folyékony fázisú hámlasztással állítják elő. A grafén folyékony fázisú hámlasztásához mérgező, környezetre káros és drága oldószereket kell használni, amelyeket kémiai előkezelésként vagy mechanikus diszperziós technikával kombinálva használnak. A grafénlemezek mechanikus diszperziójához az ultrahangos kezelést rendkívül megbízható, hatékony és biztonságos technikának találták kiváló minőségű grafénlemezek előállítására nagy mennyiségben teljesen ipari szinten. Mivel a durva oldószerek használata mindig költségekkel, szennyeződéssel, komplex eltávolítással és ártalmatlanítással, biztonsági aggályokkal és környezeti terheléssel jár, a nem mérgező és biztonságosabb alternatíva jelentősen előnyös. A grafén hámlasztás vízzel oldószerként és teljesítmény ultrahanggal néhány réteg grafénlemez mechanikus delaminálásához ezért rendkívül ígéretes technika a zöld graféngyártáshoz.
A grafén nanolemezek diszperziójára gyakran folyékony fázisként használt általános 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 propilén-karbonátaceton (PC), az etanol és a formamid.
Mint már régóta bevált technika a grafén hámlasztására kereskedelmi méretekben, az ultrahangos kezelés lehetővé teszi kiváló minőségű, nagy tisztaságú grafén előállítását alacsony költséggel. Mivel az ultrahangos grafén hámlás teljesen lineárisan méretezhető bármilyen térfogatra, a kiváló minőségű grafén pelyhek termelési hozama könnyen megvalósítható a grafén tömeggyártásához.
Az UIP2000hdT egy 2kW erős ultrahangos diszpergáló grafén hámlasztáshoz és diszperzióhoz.
A grafén ultrahangos hámlása vízben
Tyurnina et al. (2020) megvizsgálta az amplitúdó és az ultrahangos intenzitás hatását a tiszta víz-grafit oldatokra és az ebből eredő grafén hámlásra. A tanulmányban Hielscher UP200S-t (200W, 24kHz) használtak. A vízzel történő ultrahangos hámlasztást egylépéses folyamatként alkalmazták néhány rétegű grafén delaminációhoz. Az 2h rövid kezelése elegendő volt ahhoz, hogy néhány rétegű grafént állítson elő egy nyitott főzőpohár szonikációs beállításban.
A képkockák nagy sebességű szekvenciája (a-tól f-ig), amely szemlélteti a grafitpehely vízben történő szonomechanikus hámlását az UP200s, egy 24 kHz-es ultrahangos készülék 3 mm-es sonotrode-val. A nyilak a hasítás (hámlás) helyét mutatják, kavitációs buborékokkal, amelyek behatolnak a hasításba.
© Tyurnina és mtsai, 2020
Az ultrahangos grafén hámlasztás optimalizálása
A Tyurnina et al. (2020) által használt ultrahangos beállítás könnyen optimalizálható a nagyobb hatékonyság és a gyorsabb hámlasztás érdekében, zárt ultrahangos reaktor használatával átfolyó üzemmódban. Az ultrahangos inline kezelés lehetővé teszi az összes grafit nyersanyag lényegesen egységesebb ultrahangos kezelését: a grafit / víz oldat közvetlenül az ultrahangos kavitáció zárt térébe történő táplálása, az összes grafit egyenletesen szonikálttá válik, ami kiváló minőségű grafén pelyhek magas hozamát eredményezi.
A Hielscher Ultrasonics rendszerek lehetővé teszik az összes fontos feldolgozási paraméter, például amplitúdó, idő / visszatartás, energiabevitel (Ws / ml), nyomás és hőmérséklet pontos szabályozását. Az optimális ultrahangos paraméterek beállítása a legmagasabb hozamot, minőséget és általános hatékonyságot eredményezi.
Hogyan segíti elő az ultrahangos kezelés a grafén hámlást
Amikor a nagy teljesítményű ultrahanghullámok grafitpor és víz vagy bármilyen oldószer szuszpenziójához kapcsolódnak, a szonomechanikai erők, például a nagy nyíró, intenzív turbulenciák, valamint a magas nyomás- és hőmérsékletkülönbségek energiaigényes körülményeket teremtenek. Ezek az energiaigényes körülmények az akusztikus kavitáció jelenségének eredményei.
További információ az ultrahangos kavitációról itt!
A teljesítmény ultrahang elindítja a grafitpor tágulását, mivel a folyadékokat a grafénrétegek közé préselik, amelyekből a grafit áll. Az ultrahangos nyíróerők lebontják az egyes grafénlapokat, és grafén pelyhekként diszpergálják őket az oldatban. A grafén vízben való hosszú távú stabilitásának eléréséhez felületaktív anyagra van szükség.
Az ultrahangos folyadékfázis mechnizmusa, a grafén hámlás hámlása.
Tanulmány és kép: Tyurnina et al., 2021.
Nagy teljesítményű ultrahangos készülékek grafén hámlasztáshoz
A Hielscher ultrahangos készülékek intelligens funkcióit úgy tervezték, hogy garantálják a megbízható működést, a reprodukálható eredményeket és a felhasználóbarátságot. A működési beállítások könnyen elérhetők és tárcsázhatók az intuitív menü segítségével, amely digitális színes érintőképernyővel és böngésző távirányítóval érhető el. Ezért minden feldolgozási körülmény, például a nettó energia, a teljes energia, az amplitúdó, az idő, a nyomás és a hőmérséklet automatikusan rögzítésre kerül a beépített SD-kártyán. Ez lehetővé teszi a korábbi ultrahangos futtatások felülvizsgálatát és összehasonlítását, valamint a grafén hámlasztási folyamat optimalizálását a legnagyobb hatékonyság érdekében.
A Hielscher Ultrasonics rendszereket világszerte használják kiváló minőségű grafénlemezek és grafén-oxidok gyártására. A Hielscher ipari ultrahangos készülékek könnyen nagy amplitúdókat futtathatnak folyamatos üzemben (24/7/365). Az 200μm-ig terjedő amplitúdók könnyen folyamatosan generálhatók standard sonotrodes (ultrahangos szondák / kürtök és kaszkádokTM). Még nagyobb amplitúdók esetén testreszabott ultrahangos sonotrodes áll rendelkezésre. Robusztusságuk és alacsony karbantartásuk miatt ultrahangos hámlasztó rendszereinket általában nagy igénybevételű alkalmazásokhoz és igényes környezetekhez telepítik.
A grafén hámlasztásra szolgáló Hielscher ultrahangos processzorokat már világszerte kereskedelmi méretekben telepítették. Vegye fel velünk a kapcsolatot most, hogy megvitassák grafén gyártási folyamatát! Jól tapasztalt munkatársaink örömmel osztanak meg további információkat a hámlasztási folyamatról, az ultrahangos rendszerekről és az árakról!
Ha többet szeretne megtudni az ultrahangos grafén szintézisről, diszperzióról és funkcionalizálásról, kérjük, kattintson ide:
- Grafén gyártás
- Grafén nanovérlemezkék
- Vízbázisú grafén hámlasztás
- vízben diszpergálható grafén
- grafén-oxid
- xének
| Kötegelt mennyiség | Áramlási sebesség | Ajánlott eszközök |
|---|---|---|
| 1–500 ml | 10–200 ml/perc | UP100H |
| 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 | UIP4000hdt |
| n.a. | 10–100 l/perc | UIP16000 |
| n.a. | Nagyobb | klaszter UIP16000 |
Kapcsolat! / Kérdezzen tőlünk!
A Hielscher Ultrasonics nagy teljesítményű ultrahangos homogenizátorokat gyárt keverési alkalmazásokhoz, diszperzióhoz, emulgeáláshoz és extrakcióhoz laboratóriumi, kísérleti és ipari méretekben.
Irodalom / Hivatkozások
- FactSheet: Ultrasonic Graphene Exfoliation and Dispersion – Hielscher Ultrasonics – english version
- FactSheet: Exfoliación y Dispersión de Grafeno por Ultrasonidos – Hielscher Ultrasonics – spanish version
- 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. 737-747.
(Available under a Creative Commons Attribution 4.0: CC BY-NC-ND 4.0. See full terms here.) - Štengl V., Henych J., Slušná M., Ecorchard P. (2014): Ultrasound exfoliation of inorganic analogues of graphene. Nanoscale Research Letters 9(1), 2014.
- 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.
- Bang, J. H.; Suslick, K. S. (2010): Applications of Ultrasound to the Synthesis of Nanostructured Materials. Advanced Materials 22/2010. pp. 1039-1059.
- Štengl, V.; Popelková, D.; Vlácil, P. (2011): TiO2-Graphene Nanocomposite as High Performance Photocatalysts. In: Journal of Physical Chemistry C 115/2011. pp. 25209-25218.
Tények, amelyeket érdemes tudni
Mi az a 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.
A hibamentes grafén gyors és biztonságos ultrahangos előkészítése nagy mennyiségben, alacsony költségekkel lehetővé teszi a grafén alkalmazásának kiterjesztését egyre több iparágra.
A grafén egy atom vastagságú szénréteg, amely a grafén egyrétegű vagy 2D szerkezeteként írható le (egyrétegű grafén = SLG). A grafén rendkívül nagy fajlagos felülettel és kiváló mechanikai tulajdonságokkal rendelkezik (Young modulusa 1 TPa és belső szilárdsága 130 GPa), kiváló elektronikus és hővezető képességet, töltéshordozó mobilitást, átláthatóságot kínál, és gázokat áthatolhatatlan. Ezeknek az anyagjellemzőknek köszönhetően a grafént megerősítő adalékanyagként használják, hogy a kompozitok szilárdságát, vezetőképességét stb. Biztosítsák. A grafén más anyagokkal való kombinálása érdekében a grafént diszpergálni kell a vegyületbe, vagy vékonyréteg-bevonatként kell felhordani egy hordozóra.
Nagy teljesítményű ultrahangos! A Hielscher termékválasztéka lefedi a teljes spektrumot a kompakt laboratóriumi ultrahangos készüléktől a pad-top egységeken át a teljes ipari ultrahangos rendszerekig.