Dispersi Grafena secara Ultrasonik
Untuk memasukkan grafena ke dalam komposit, grafena perlu didispersikan atau dieksfoliasi menjadi lembaran nano tunggal secara merata di seluruh formulasi. Semakin menyeluruh deaglomerasi grafena, semakin baik sifat materialnya yang luar biasa dapat dimanfaatkan. Dispersi ultrasonik menghasilkan distribusi partikel dan stabilitas dispersi yang unggul, bahkan pada konsentrasi dan viskositas tinggi. Metode ini memberikan kualitas dispersi yang luar biasa, jauh melampaui teknik pencampuran konvensional.
Dispersi Grafena secara Ultrasonik
Untuk memberikan karakteristik grafena yang luar biasa, seperti kekuatannya, pada komposit, grafena harus didispersikan secara merata ke dalam matriks atau diaplikasikan sebagai pelapis film tipis pada substrat. Faktor utama yang memengaruhi sifat material yang dihasilkan meliputi aglomerasi, sedimentasi, serta dispersi di dalam matriks atau distribusi partikel pada substrat.
Karena sifat hidrofobik grafena, menghasilkan dispersi yang stabil dan berkonsentrasi tinggi tanpa surfaktan atau bahan pendispersi merupakan tantangan. Mengatasi gaya van der Waals memerlukan gaya geser yang kuat, yang dapat dihasilkan secara efektif oleh kavitasi ultrasonik. Metode ini merupakan metode paling canggih untuk menyiapkan dispersi yang stabil.
Sonikator industri untuk dispersi grafena dengan kapasitas pemrosesan yang tinggi.
Dengan menggunakan alat pendispersi ultrasonik, seperti sonikator UIP2000hdT 2kW, sonikator UIP4000hdT 4kW, sonikator UIP6000hdT 6kW, atau sonikator UIP16000hdT 16kW, grafena dengan konduktivitas listrik tinggi (712 S·m-1), dispersitas yang baik, dan konsentrasi tinggi dapat disiapkan dengan mudah. Sonikasi juga memungkinkan penyiapan dispersi grafena yang stabil pada suhu proses rendah, sekitar 65°C.
Informasi lebih lanjut dan detail teknis mengenai sonikator industri tipe probe Hielscher untuk eksfoliasi dan dispersi grafena dapat ditemukan di sini:
- UIP1000hdT (ultrasonik berdaya 1000 watt)
- UIP2000hdT (ultrasonik berdaya 2000 watt)
- UIP4000hdT (ultrasonik berdaya 4000 watt)
- UIP6000hdT (ultrasonik berdaya 6000 watt)
- UIP16000hdT (ultrasonik berdaya 16.000 watt)
Semua sonikator Hielscher memungkinkan pengendalian yang presisi atas seluruh parameter proses penting; teknologi dispersi ultrasonik menghindari kerusakan struktur kimia dan kristal grafena – menghasilkan serpihan grafena murni yang bebas cacat.
Ultrasonikator Hielscher yang bertenaga mampu memproses grafena dan grafit dalam volume besar, misalnya untuk eksfoliasi fase cair dan dispersi grafena. Pengendalian parameter proses yang akurat memungkinkan peningkatan skala proses ultrasonik secara mulus dari skala meja kerja hingga produksi komersial penuh.
Grafena berlapis sedikit yang dieksfoliasi secara ultrasonik, dengan sekitar 3–4 lapisan dan ukuran sekitar 1μm, dapat didispersikan (kembali) pada konsentrasi setidaknya 63 mg/mL.
Citra SEM nanoplatelet grafena pada perbesaran (b) X3000 dan (c) X8000
(Studi dan citra: ©Alizadeh et al., 2018)
- grafena berkualitas tinggi
- kapasitas pemrosesan tinggi / rendemen tinggi
- dispersi yang seragam
- konsentrasi tinggi
- viskositas tinggi
- proses cepat
- biaya rendah
- sangat efisien
- ramah lingkungan
Reaktor ultrasonik 7kW untuk dispersi grafena
Homogenizer dan Alat Pendispersi Ultrasonik untuk Grafena
Hielscher Ultrasonics menyediakan sistem ultrasonik berdaya tinggi untuk mengeksfoliasi dan mendispersikan grafena dan grafit berlapis tebal menjadi grafena berlapis tunggal, dua lapis, dan berlapis sedikit. Prosesor ultrasonik yang andal dan reaktor canggihnya menyediakan daya yang diperlukan serta pengendalian yang presisi untuk mencapai sasaran proses tertentu.
Salah satu parameter proses yang paling penting adalah amplitudo ultrasonik, yaitu simpangan getaran pada horn ultrasonik. Ultrasonikator industri Hielscher dirancang untuk menghasilkan amplitudo yang sangat tinggi, dengan pengoperasian kontinu hingga 200µm. Untuk amplitudo yang lebih tinggi lagi, tersedia probe ultrasonik khusus. Parameter proses semua sonikator Hielscher dapat disesuaikan secara presisi dengan kondisi proses yang diperlukan dan dipantau melalui perangkat lunak bawaan, sehingga memastikan keandalan tinggi, kualitas yang konsisten, dan hasil yang dapat direproduksi. Desain sonikator Hielscher yang kokoh dirancang untuk pengoperasian 24/7 di lingkungan yang menuntut, menjadikan sonikasi teknologi pilihan untuk produksi lembaran nano grafena berlapis tunggal dan berlapis sedikit dalam skala besar.
Hielscher menawarkan beragam ultrasonikator dan aksesori, termasuk sonotrode dan reaktor dalam berbagai ukuran dan geometri. Hal ini memungkinkan pemilihan kondisi dan faktor reaksi yang optimal, seperti reagen, masukan energi ultrasonik per volume, tekanan, suhu, dan laju alir, untuk mencapai kualitas tertinggi. Reaktor ultrasoniknya dapat diberi tekanan hingga beberapa ratus barg, sehingga sonikasi pasta dengan viskositas sangat tinggi (hingga 250.000 centipoise) dapat dilakukan.
Kemampuan ini menjadikan delaminasi, eksfoliasi, dan pendispersian ultrasonik lebih unggul daripada teknik penggerusan dan penggilingan konvensional.
Sonikator Hielscher merupakan homogenizer ultrasonik paling canggih di pasaran. Manfaatkan berbagai keunggulan yang ditawarkan sonikator Hielscher!
Grafik yang memvisualisasikan sintesis ultrasonik nanoplatelet grafena menggunakan sonikator UP100H
(Studi dan grafik: Ghanem and Rehim, 2018)
Sonikator Hielscher untuk Grafena:
- ultrasonik berdaya tinggi
- gaya geser tinggi
- tekanan tinggi dapat diterapkan
- pengendalian yang presisi
- peningkatan skala yang mulus (linear)
- pemrosesan batch dan aliran kontinu
- hasil yang dapat direproduksi
- keandalan
- kekokohan
- efisiensi energi tinggi
Fakta yang Perlu Diketahui
Apa Itu Grafena?
Grafena adalah lapisan karbon setebal satu atom, yang dapat dijelaskan sebagai struktur grafena berlapis tunggal atau 2D (grafena berlapis tunggal = SLG). Grafena memiliki luas permukaan spesifik yang luar biasa besar dan sifat mekanis yang unggul (modulus Young sebesar 1 TPa dan kekuatan intrinsik sebesar 130 GPa), menawarkan konduktivitas elektronik dan termal, mobilitas pembawa muatan, serta transparansi yang sangat baik, dan tidak dapat ditembus gas. Karena karakteristik material ini, grafena digunakan sebagai aditif penguat untuk memberikan kekuatan, konduktivitas, dan sebagainya pada komposit. Untuk menggabungkan karakteristik grafena dengan material lain, grafena harus didispersikan ke dalam senyawa atau diaplikasikan sebagai pelapis film tipis pada substrat.
Pelarut umum yang sering digunakan sebagai fase cair untuk mendispersikan lembaran nano grafena meliputi dimetil sulfoksida (DMSO) , N,N-dimetilformamida (DMF), N-metil-2-pirolidon (NMP), tetrametilurea (TMU, tetrahidrofuran (THF), “propylene carbonateacetone” (PC), etanol, dan formamida.
Apakah Grafena Dapat Didispersikan dalam Air?
Ya, grafena dapat didispersikan dalam air menggunakan surfaktan, polimer, atau bahan penstabil lainnya untuk mencegah agregasi dan mempertahankan stabilitas dispersi. Peralatan pendispersi yang andal, seperti sonikator tipe probe, juga berperan penting dalam dispersi grafena dengan menggunakan energi ultrasonik untuk memecah aglomerat dan memperkecil ukuran partikel grafena, sehingga menghasilkan dispersi yang lebih seragam dan stabil dalam medium cair.
Apakah Grafena Oksida Dapat Larut dalam Air?
Ya, grafena oksida dapat larut dalam air karena gugus fungsionalnya yang mengandung oksigen meningkatkan sifat hidrofiliknya dan memungkinkannya membentuk dispersi berair yang stabil.
Apa Pelarut Terbaik untuk Mendispersikan Grafena?
Pelarut terbaik untuk mendispersikan grafena adalah N-metil-2-pirolidon (NMP) karena polaritasnya yang tinggi dan kemampuannya menstabilkan lembaran grafena, sehingga menghasilkan dispersi yang seragam dan stabil.
Mengapa Grafena Tidak Larut dalam Air?
Grafena tidak larut dalam air karena tidak memiliki gugus fungsional yang dapat berinteraksi dengan molekul air, sehingga bersifat hidrofobik dan rentan mengalami agregasi akibat gaya van der Waals yang kuat antarlembarnya.
Mengapa Grafena Digunakan dalam Komposit?
Dengan ketebalan satu atom, grafena merupakan material paling tipis, dengan berat sekitar 0,77 mg per 1m2 paling ringan, dan dengan kekakuan tarik sebesar 150.000.000 psi (100–300 kali lebih kuat daripada baja) serta kekuatan tarik sebesar 130.000.000.000 Pascal, merupakan material paling kuat yang diketahui.
Selain itu, grafena merupakan konduktor termal terbaik (pada suhu kamar dengan (4,84±0,44) × 103 hingga (5,30±0,48) × 103 W·m-11·K-1) dan konduktor listrik terbaik (mobilitas elektron lebih tinggi dari 15.000 cm2·V-1·s-1).
Karakteristik penting lainnya dari grafena adalah sifat optiknya, dengan penyerapan cahaya sebesar πα≈2,3% dari cahaya putih, serta tampilannya yang transparan.
Dengan memasukkan grafena ke dalam matriks, karakteristik material yang luar biasa tersebut dapat dialihkan ke komposit yang dihasilkan, sehingga memberikan fungsi yang unik. Komposit yang diperkuat grafena ini menawarkan berbagai kemungkinan baru untuk pengembangan material dan aplikasi industri. Karena karakteristiknya, grafena dan komposit grafena telah digunakan secara luas dalam pembuatan baterai berkinerja tinggi, superkapasitor, tinta konduktif, pelapis, sistem fotovoltaik, dan perangkat elektronik
Sonikator Hielscher menghasilkan gaya geser tinggi yang diperlukan untuk mengatasi gaya van der Waals agar lembaran nano grafena dapat terdistribusi secara merata ke dalam matriks komposit. Alat pendispersi ultrasonik seperti UIP2000hdT atau UIP16000 digunakan untuk memproduksi nanokomposit yang diperkuat grafena dan grafena oksida.
Literatur/Referensi
- 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 memproduksi homogenizer ultrasonik berkinerja tinggi dari skala laboratorium hingga industri.