그래핀의 초음파 분산
그래핀을 복합재에 첨가하려면 그래핀을 개별 나노시트로 분산하거나 박리하여 배합물 전체에 균일하게 분포시키는 것이 필수적입니다. 그래핀의 응집체를 철저하게 해체할수록 그래핀의 탁월한 재료 특성을 더 잘 활용할 수 있습니다. 초음파 분산은 높은 농도와 점도에서도 우수한 입자 분포와 분산 안정성을 제공합니다. 이 방법은 기존 혼합 기술을 훨씬 능가하는 탁월한 분산 품질을 제공합니다.
그래핀의 초음파 분산
복합재에 강도와 같은 그래핀의 탁월한 특성을 부여하려면 그래핀을 매트릭스 내에 균일하게 분산시키거나 기판에 박막 코팅으로 도포해야 합니다. 최종 재료 특성에 영향을 미치는 주요 요인으로는 응집, 침강, 매트릭스 내 분산 또는 기판 위 입자 분포가 있습니다.
그래핀은 소수성을 띠므로 계면활성제나 분산제 없이 안정적인 고농도 분산액을 만드는 것은 어렵습니다. 반데르발스 힘을 극복하려면 강한 전단력이 필요하며, 이는 초음파 캐비테이션으로 효과적으로 생성할 수 있습니다. 이 방법은 안정적인 분산액을 제조하는 가장 정교한 방법입니다.
그래핀의 고처리량 분산을 위한 산업용 초음파 처리기.
2kW 초음파 처리기 UIP2000hdT, 4kW 초음파 처리기 UIP4000hdT, 6kW 초음파 처리기 UIP6000hdT 또는 16kW 초음파 처리기 UIP16000hdT와 같은 초음파 분산기를 사용하면 높은 전기 전도도(712 S·m-1), 우수한 분산성 및 높은 농도를 갖춘 그래핀을 쉽게 제조할 수 있습니다. 또한 초음파 처리를 통해 약 65°C의 낮은 공정 온도에서 안정적인 그래핀 분산액을 제조할 수 있습니다.
그래핀 박리 및 분산을 위한 Hielscher 산업용 프로브형 초음파 처리기에 관한 추가 정보와 기술적 세부 사항은 여기에서 확인할 수 있습니다:
- UIP1000hdT (1000와트 고출력 초음파)
- UIP2000hdT (2000와트 고출력 초음파)
- UIP4000hdT (4000와트 고출력 초음파)
- UIP6000hdT (6000와트 고출력 초음파)
- UIP16000hdT (16,000와트 고출력 초음파)
모든 Hielscher 초음파 처리기는 모든 주요 공정 매개변수를 정밀하게 제어할 수 있으며, 초음파 분산 기술은 그래핀의 화학 구조와 결정 구조가 손상되는 것을 방지하여 본래 구조를 유지하는 결함 없는 그래핀 플레이크를 생성합니다.
Hielscher의 강력한 초음파 처리기는 액상 박리 및 그래핀 분산 등의 용도로 그래핀과 흑연을 대량으로 처리할 수 있습니다. 공정 매개변수의 정밀한 제어를 통해 초음파 공정을 벤치탑 규모에서 완전한 상업 생산 규모로 원활하게 확장할 수 있습니다.
초음파로 박리한 약 3–4층, 약 1μm 크기의 소수층 그래핀은 최소 63 mg/mL의 농도로 (재)분산할 수 있습니다.
(b) X3000 및 (c) X8000 배율에서 촬영한 그래핀 나노플레이트의 SEM 이미지
(연구 및 이미지: ©Alizadeh et al., 2018)
- 고품질 그래핀
- 높은 처리량 / 높은 수율
- 균일한 분산
- 높은 농도
- 높은 점도
- 신속한 공정
- 낮은 비용
- 매우 높은 효율
- 친환경적
그래핀 분산액을 위한 7kW 초음파 반응기
그래핀용 초음파 균질기 및 분산기
Hielscher Ultrasonics는 벌크 적층 그래핀과 흑연을 단층, 이중층 및 소수층 그래핀으로 박리하고 분산하기 위한 고출력 초음파 시스템을 제공합니다. 신뢰할 수 있는 초음파 처리기와 첨단 반응기는 특정 공정 목표를 달성하는 데 필요한 출력과 정밀한 제어 기능을 제공합니다.
가장 중요한 공정 매개변수 중 하나는 초음파 혼의 진동 변위인 초음파 진폭입니다. Hielscher 산업용 초음파 처리기는 매우 높은 진폭을 제공하도록 설계되었으며, 최대 200µm의 진폭으로 연속 운전할 수 있습니다. 이보다 더 높은 진폭을 위해서는 맞춤형 초음파 프로브를 사용할 수 있습니다. 모든 Hielscher 초음파 처리기의 공정 매개변수는 필요한 공정 조건에 맞게 정밀하게 조정하고 내장 소프트웨어로 모니터링할 수 있어 높은 신뢰성, 일관된 품질 및 재현 가능한 결과를 보장합니다. Hielscher 초음파 처리기는 까다로운 환경에서 24/7 운전할 수 있도록 견고하게 설계되어, 초음파 처리는 단층 및 소수층 그래핀 나노시트의 대규모 생산에 선호되는 기술입니다.
Hielscher는 다양한 크기와 형상의 소노트로드 및 반응기를 포함하여 폭넓은 초음파 처리기와 액세서리를 제공합니다. 이를 통해 시약, 단위 부피당 초음파 에너지 투입량, 압력, 온도 및 유량과 같은 반응 조건과 인자를 최적으로 선택하여 최고의 품질을 달성할 수 있습니다. 이 초음파 반응기는 최대 수백 barg까지 가압할 수 있어 고점도 페이스트(최대 250,000 센티푸아즈)의 초음파 처리가 가능합니다.
이러한 성능 덕분에 초음파를 이용한 층간 분리, 박리 및 분산은 기존의 연삭 및 밀링 기술보다 우수합니다.
Hielscher 초음파 처리기는 시중에서 가장 정교한 초음파 균질기입니다. Hielscher 초음파 처리기가 제공하는 수많은 이점을 활용해 보세요!
초음파 처리기 UP100H를 이용한 그래핀 나노판의 초음파 합성을 시각화한 도해
(연구 및 도해: Ghanem and Rehim, 2018)
그래핀용 Hielscher 초음파 처리기:
- 고출력 초음파
- 높은 전단력
- 고압 적용 가능
- 정밀한 제어
- 원활한 규모 확장성(선형)
- 배치식 및 연속 통과식
- 재현 가능한 결과
- 신뢰성
- 견고성
- 높은 에너지 효율
알아두면 유용한 정보
그래핀이란 무엇인가요?
그래핀은 원자 하나 두께의 탄소층으로, 단층 또는 2D 구조의 그래핀으로 설명할 수 있습니다(단층 그래핀 = SLG). 그래핀은 비표면적이 매우 크고 기계적 특성이 우수하며(영률 1 TPa 및 고유 강도 130 GPa), 높은 전기 전도도와 열전도도, 전하 운반자 이동도 및 투명성을 제공하고 기체를 투과시키지 않습니다. 이러한 재료 특성 덕분에 그래핀은 복합재에 강도, 전도성 등을 부여하는 보강 첨가제로 사용됩니다. 그래핀의 특성을 다른 재료와 결합하려면 그래핀을 배합물에 분산하거나 기판 위에 박막 코팅으로 도포해야 합니다.
그래핀 나노시트를 분산하는 액상으로 자주 사용되는 일반적인 용매로는 디메틸설폭사이드(DMSO), N,N-디메틸포름아미드(DMF), N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 테트라메틸우레아(TMU, 테트라히드로푸란(THF), 프로필렌 카보네이트아세톤(PC), 에탄올 및 포름아미드가 있습니다.
그래핀을 물에 분산할 수 있나요?
네, 계면활성제, 고분자 또는 기타 안정화제를 사용하여 응집을 방지하고 분산 안정성을 유지하면 그래핀을 물에 분산할 수 있습니다. 프로브형 초음파 처리기와 같은 신뢰할 수 있는 분산 장비 역시 초음파 에너지로 응집체를 해체하고 그래핀 입자의 크기를 줄여 액체 매질에서 더욱 균일하고 안정적인 분산을 촉진함으로써 그래핀 분산에 중요한 역할을 합니다.
산화 그래핀은 물에 용해될 수 있나요?
네, 산화 그래핀은 산소 함유 작용기로 인해 물에 용해될 수 있습니다. 이러한 작용기는 친수성을 높이고 안정적인 수성 분산액을 형성할 수 있게 합니다.
그래핀을 분산시키는 데 가장 좋은 용매는 무엇인가요?
그래핀을 분산시키는 데 가장 좋은 용매는 N-메틸-2-피롤리돈(NMP)입니다. 극성이 높고 그래핀 시트를 안정화하는 능력이 있어 균일하고 안정적인 분산액을 형성하기 때문입니다.
그래핀은 왜 물에 녹지 않나요?
그래핀은 물 분자와 상호작용할 수 있는 작용기가 없어 물에 녹지 않습니다. 이 때문에 소수성을 띠며, 그래핀 시트 사이의 강한 반데르발스 힘으로 인해 응집되기 쉽습니다.
그래핀은 왜 복합재에 사용되나요?
그래핀은 원자 하나의 두께로 가장 얇고, 약 0.77 mg/1m2 의 무게로 가장 가벼우며, 인장 강성이 150,000,000 psi(강철보다 100–300배 강함)이고 인장 강도가 130,000,000,000 파스칼로 알려진 재료 중 가장 강합니다.
또한 그래핀은 최고의 열전도체(실온에서 열전도도가 (4.84±0.44) × 103 – (5.30±0.48) × 103 W·m-11·K-1)이자 최고의 전기전도체(전자 이동도가 15,000 cm2·V-1·s-1를 초과함)입니다.
그래핀의 또 다른 중요한 특성은 백색광의 πα≈2.3%를 흡수하는 광학적 특성과 투명한 외관입니다.
그래핀을 매트릭스에 혼입하면 이러한 뛰어난 재료 특성을 생성되는 복합재에 전달하여 고유한 기능을 부여할 수 있습니다. 이러한 그래핀 강화 복합재는 재료 개발과 산업 응용에 새로운 가능성을 제공합니다. 이러한 특성으로 인해 그래핀과 그래핀 복합재는 이미 고성능 배터리, 슈퍼커패시터, 전도성 잉크, 코팅, 태양광 발전 시스템 및 전자 기기 제조에 널리 사용되고 있습니다.
Hielscher 초음파 처리기는 그래핀 나노시트를 복합재 매트릭스에 균일하게 분포시키기 위해 반데르발스 힘을 극복하는 데 필요한 높은 전단력을 제공합니다. UIP2000hdT 또는 UIP16000과 같은 초음파 분산기는 그래핀 및 산화 그래핀으로 강화된 나노복합재를 제조하는 데 사용됩니다.
문헌/참고 자료
- 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 Ultrasonics는 고성능 초음파 균질기를 실험실 규모 부터 산업 규모까지 제조합니다.