물 분산성 그래핀의 초음파 박리
- 단층 및 이중층 그래핀 나노시트는 초음파 박리를 통해 높은 처리량과 저렴한 비용으로 빠르게 생산할 수 있습니다.
- 초음파로 박리된 그래핀은 물에 분산되는 그래핀을 얻기 위해 생체 고분자로 기능화할 수 있습니다.
- 초음파 캐비테이션에 의해, 합성된 그래핀은 안정적인 수성 분산액으로 추가 가공될 수 있습니다.
고품질 그래핀의 초음파 박리
초음파는 흑연 플레이크 또는 입자로부터 그래 핀 층 (모노, 이중 및 소층 그래 핀)을 생산하는 신뢰할 수있는 방법입니다. 볼 및 롤 밀 또는 고전단 믹서와 같은 다른 일반적인 박리 기술은 낮은 품질과 공격적인 시약 및 용매의 사용과 관련이 있지만 초음파 박리 방법은 고품질 출력, 높은 공정 용량 및 온화한 가공 조건으로 확신을 줍니다.
초음파 캐비테이션은 강렬한 전단력을 생성하여 적층된 흑연 층을 결함이 없는 그래핀의 단층, 이중층 및 소층으로 분리합니다.
Sunication을 통한 물 분산 가능한 그래 핀 시트
초음파는 물 또는 유기 용제에서 탄소 나노 튜브를 풀기 위해 반복 가능한 결과를 가진 효과적인 절차입니다. [/캡션] 정상적인 조건에서 그래핀은 물에 거의 분산되지 않으며 수성 매체에 분산될 때 응집체와 응집체를 형성합니다. 수성 시스템은 저렴하고 무독성이며 환경 친화적이라는 상당한 장점이 있기 때문에 수성 그래핀 시스템은 그래핀 제조업체와 다운스트림 산업에 매우 매력적입니다.
수분산성 그래핀 나노시트를 얻기 위해 초음파로 박리된 그래핀을 풀루란, 키토산, 알긴산, 젤라틴 또는 아라비아 고무와 같은 다당류/생체 고분자로 변형시킵니다.
- 고품질 그래핀
- 높은 수율
- 수성 분산
- 고농도
- 고능률
- 신속한 프로세스
- 저가
- 높은 처리량
- 환경 친화적 인
산업 규모의 그래핀 박리를 위한 프로브형 초음파기가 있는 초음파 반응기
초음파를 사용한 흑연의 직접 박리 프로토콜
비이온성 풀루란 및 음이온성 알긴산(1.0g)을 증류수 20ml에 별도로 용해시킨 반면, 양이온성 키토산(0.4g)을 1wt% 아세트산이 함유된 증류수 20ml에 용해시켰다. 흑연 분말을 수성 바이오 폴리머 용액에 분산시키고 프로브 형 초음파기 UP200S (최대 출력 200W, 주파수 24kHz, Hielscher 초음파, 독일)를 사용하여 티타늄 sonotrode (마이크로 팁 S3, 팁 직경 3mm, 최대 진폭 210μm, 음향 출력 밀도 또는 표면 강도 460 W cm-2)를 사용하여 처리 : 0.5 사이클 및 50 % 진폭, 각각 10분, 20분, 30분, 60분 동안. 최상의 결과는 30 분 초음파 처리에서 얻어졌습니다. 초음파 처리는 30 분 동안 16.25 W의 전력으로 적용되었으며, 에너지 소비 (단위 부피 당 에너지 출력)는 731 Ws ml-1이었다.
이어서, 혼합물을 1500rpm에서 60분 동안 원심분리하여 박리되지 않은 흑연 입자를 제거한 후, 5회 세척한 후 다시 5000rpm에서 20분 동안 원심분리하여 과잉의 생체 고분자를 제거하였다. 생성된 짙은 회색 용액은 질량 손실이 없을 때까지 40ºC에서 진공 건조되었습니다. 생성된 폴리머-그래핀 분말을 물(풀루란 및 키토산의 경우 1mg ml-1, 알긴산의 경우 0.18mg ml-1)에 재분산시켜 특성 분석을 수행했습니다. pullulan-, alginate- 및 chitosan-assisted 초음파로 얻은 그래 핀 시트는 각각 pull-G, alg-G 및 chit-G로 표시되었습니다.
세 가지 시스템 중 풀루란과 키토산은 알긴산보다 흑연의 박리에 더 효과적이었습니다. 이 방법은 측면(가장자리) 결함이 적고 박리된 단층, 이중층 및 소수층 그래핀 시트를 생성했습니다. 그래핀 표면에 생체 고분자를 흡착하면 수성 분산액의 오래 지속되는 안정성(6개월 이상)을 얻을 수 있습니다.
(Unalan et al. 2015 참조)
물에서 흑연 플레이크의 음파 기계적 박리를 보여주는 프레임의 고속 시퀀스(a에서 f까지) UP200S를 사용하여 200mm sonotrode가있는 3W 초음파기. 화살표는 캐비테이션 버블이 분할을 관통하는 분할(박리) 위치를 보여줍니다.
(연구 및 사진: © Tyurnina et al. 2020
다음에 대한 pull-G의 TEM 이미지: (a) 10분; (b) 20분; (c) 30분; (d) 60분; (e) 30분 동안 잡담; (f) 30분 동안 alg-G. (Unalan et al. 2015)
그래핀 박리를 위한 초음파발생기
Hielscher 고출력 초음파 프로세서는 흑연과 그래 핀의 성공적인 박리 및 분산을 위해 전 세계적으로 사용됩니다. 당사의 초음파 분산기는 실험실 및 벤치 탑에서 전체 산업 생산 단위까지 사용할 수 있습니다. 견고 함, 24/7 작동 및 낮은 유지 보수 외에도 Hielscher 초음파는 높은 처리 용이성과 선형 확장 성으로 확신합니다.
실험실에서 프로세스를 쉽게 테스트하고 최적화할 수 있습니다. 그 후, 모든 공정 결과를 상업 생산 수준으로 완전히 선형적으로 확장할 수 있습니다. 이것은 초음파 처리를 고량의 고품질 그래 핀 시트를위한 효과적이고 효율적인 생산 방법으로 만듭니다.
Hielscher 초음파 산업용 초음파 프로세서는 매우 높은 진폭을 제공 할 수 있습니다. 최대 200μm의 진폭을 24/7 작동에서 쉽게 연속적으로 실행할 수 있습니다. 더 높은 진폭을 위해 맞춤형 초음파 소노트로드를 사용할 수 있습니다. 정합 초음파 반응기는 고품질 그래핀 나노시트의 안정적이고 안전한 대량 생산 능력과 안정적인 나노시트 분산액을 보장합니다.
Hielscher의 초음파 장비의 견고 함은 중장비 및 까다로운 환경에서 24/7 작동을 가능하게합니다.
아래 표는 초음파기의 대략적인 처리 용량을 나타냅니다.
| 배치 볼륨(Batch Volume) | 유량 | 권장 장치 |
|---|---|---|
| 10 내지 2000mL | 20 내지 400mL/분 | UP200HT, UP400ST |
| 0.1 내지 20L | 0.2 내지 4L/min | UIP2000hdT 님 |
| 10에서 100L | 2 내지 10L/min | UIP4000 |
| N.A. 개시 | 10 내지 100L/min | UIP16000 |
| N.A. 개시 | 큰 | 의 클러스터 UIP16000 |
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2D 나노시트의 초음파 박리 메커니즘.
(연구 및 그래픽: Tyurnina et al., 2020)
알아 둘 만한 가치가 있는 사실
그래핀
그래핀은 sp의 단층입니다.2-결합 된 탄소 원자. 그래핀은 매우 큰 비표면적(2620m)과 같은 독특한 재료 특성을 제공합니다.2g-1), 1 TPa의 영률 및 130 GPa의 고유 강도, 매우 높은 전자 전도성(2.5 × 105cm의 실온 전자 이동도)을 가진 우수한 기계적 특성2 V-1s-1), 매우 높은 열전도율(3000W m K 이상)-1)을 사용하여 가장 중요한 속성의 이름을 지정할 수 있습니다. 그래핀은 우수한 재료 특성으로 인해 고성능 배터리, 연료 전지, 태양 전지, 슈퍼 커패시터, 수소 저장, 전자기 차폐 및 전자 장치의 개발 및 생산에 많이 사용됩니다. 또한, 그래핀은 폴리머, 세라믹 및 금속 매트릭스와 같은 강화 첨가제로 많은 나노 복합 재료 및 복합 재료에 통합됩니다. 높은 전도성으로 인해 그래핀은 전도성 페인트와 잉크의 중요한 구성 요소입니다.
신속하고 안전한 결함이 없는 그래핀의 초음파 제조 저렴한 비용으로 대량으로 그래핀의 응용 분야를 점점 더 많은 산업 분야로 확대할 수 있습니다.
문헌/참고문헌
- 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.
