Amorfā oglekļa monoslāņa (MAC) disperģēšana šķidrumos ar ultraskaņu

Amorfā oglekļa monoslānis (MAC) ir jauns oglekļa nanomateriāls ar izcilu mehānisko izturību, elastību un elektrovadītspēju. Tā integrēšana šķidrās matricās ir būtiska lietojumiem augstas veiktspējas kompozītmateriālos, enerģijas uzkrāšanā, pārklājumos un elektronikas materiālos. Tomēr vienmērīgas un stabilas MAC dispersijas iegūšana ir sarežģīta spēcīgās van der Vālsa mijiedarbības un agregācijas tendences dēļ. Disperģēšana ar ultraskaņu, izmantojot Hielscher zondes tipa ultraskaņas aparātus, nodrošina mērogojamu un ļoti efektīvu risinājumu MAC sakopojumu sašķelšanai un viendabīga sadalījuma nodrošināšanai šķidrajās fāzēs.

MAC disperģēšanas grūtības

Īpaši plānās struktūras un augstās virsmas enerģijas dēļ MAC, nonākot šķidrā vidē, dabiski agregējas daudzslāņu sakopojumos. Ar tradicionālajām maisīšanas metodēm vai metodēm, kurās izmanto bīdi, bieži neizdodas efektīvi disperģēt MAC, un tas izraisa:

Nepietiekamu kompozītmateriālu viendabīgumu
Mehānisko īpašību pasliktināšanos aglomerācijas dēļ
Ierobežotas procesa mērogošanas iespējas

Ultraskaņas kavitācija piedāvā nebojājošu, efektīvu un mērogojamu metodi disperģēta MAC monoslāņa iegūšanai dažādos šķīdinātājos, polimēru matricās un reaģētspējīgos sastāvos.

Disperģēšana ar ultraskaņu: mehānisms un priekšrocības

Zondes tipa ultraskaņas aparāti šķidrumos rada intensīvu akustisko kavitāciju, kas izraisa lokāli spēcīgus bīdes spēkus, mikrostrūklas un triecienviļņus. Šie ekstremālie apstākļi efektīvi sašķeļ MAC agregātus, atšķetina un vienmērīgi sadala nanoloksnes. Galvenās disperģēšanas ar ultraskaņu priekšrocības ir šādas:

Efektīva eksfoliācija: Pārvērš daudzslāņu MAC monoslāņos
Augsta stabilitāte: Novērš atkārtotu agregāciju, optimizējot virsmaktīvo vielu un šķīdinātāju mijiedarbību
Procesa mērogojamība: Piemērota laboratorijas mēroga pētījumiem, pilotražošanai un pilna mēroga rūpnieciskajai ražošanai
Kontrolēta apstrāde: Regulējami parametri (amplitūda, laiks, spiediens, temperatūra) ļauj optimizēt procesu konkrētiem lietojumiem

Hielscher zondes tipa ultraskaņas aparāti: mērogojami risinājumi MAC disperģēšanai

Hielscher Ultrasonics piedāvā vismodernākās ultraskaņas apstrādes iekārtas MAC disperģēšanai visos mērogos – no maziem laboratorijas paraugiem līdz liela mēroga rūpnieciskiem procesiem plūsmā. To modulārās un pielāgojamās sistēmas nodrošina nepārspējamu precizitāti un efektivitāti.

Video parādīta grafīta sajaukšana un disperģēšana ar ultraskaņu 250mL epoksīdsveķu (Toolcraft L), izmantojot ultraskaņas homogenizatoru (UP400St, Hielscher Ultrasonics). Hielscher Ultrasonics ražo iekārtas grafīta, grafēna, oglekļa nanocaurulīšu, nanovadu vai pildvielu disperģēšanai laboratorijā vai liela apjoma ražošanas procesos. Tipiski lietojumi ir nanomateriālu un mikromateriālu disperģēšana funkcionalizācijas procesā vai to disperģēšana sveķos vai polimēros.

MAC disperģēšana laboratorijas mērogā

Pētniecībā un izstrādē Hielscher ultraskaņas aparātu modeļi UP200Ht (200W) un UP400St (400W) nodrošina precīzu disperģēšanas parametru kontroli. Šīs ultraskaņas ierīces ļauj nodrošināt:

Nelielu partiju apstrādi ātrai tehniskās iespējamības izpētei
Parametru optimizēšanu ideālās amplitūdas un apstrādes ilguma noteikšanai
Atkārtojamību sastāva pilnveidošanai

Pilotražošana un vidēja mēroga ražošana

Pilotražošanai vai neliela mēroga rūpnieciskajai ražošanai UIP1000hdT (1kW) un UIP2000hdT (2kW) piedāvā lielāku jaudu, vienlaikus saglabājot precīzi regulējamu disperģēšanas kvalitātes kontroli. To iespējas ietver:

Nepārtrauktu apstrādi lielākai ražībai
Plūsmas šūnu reaktorus, kas nodrošina disperģēšanu plūsmā
Plūsmas šūnas, kurās var paaugstināt spiedienu, ļauj veikt apstrādi paaugstinātā spiedienā

Disperģēšana plūsmā rūpnieciskā mērogā

MAC disperģēšanai lielos apjomos Hielscher UIP4000hdT, UIP6000hdT un UIP16000hdT sērijas iekārtas (4kW–16kW katrai iekārtai) atvieglo nepārtrauktu disperģēšanu plūsmā, nodrošinot efektivitāti un atkārtojamību rūpnieciskā līmenī. Priekšrocības ietver:

Augsta apstrādes ražība: Paredzēta kompozītmateriālu un pārklājumu ražošanai lielā mērogā
Mērogojama modulāra konstrukcija: Vairākas iekārtas var darbināt paralēli
Procesa automatizācija: Integrācija ar sensoriem un vadības sistēmām uzraudzībai reāllaikā

Kā panākt optimālu amorfā oglekļa monoslāņa disperģēšanu?

Lai sasniegtu visaugstāko disperģēšanas kvalitāti, jāoptimizē galvenie apstrādes parametri:

Amplitūda: lielākas amplitūdas nodrošina spēcīgāku kavitāciju, veicinot eksfoliāciju

Apstrādes laiks: ilgāka apstrāde ar ultraskaņu var uzlabot disperģēšanu, taču tās ilgums jākontrolē, lai novērstu materiāla degradāciju

Šķīdinātāja izvēle: piemērota šķīdinātāja izvēle uzlabo MAC stabilitāti un disperģējamību

Virsmaktīvās vielas/stabilizatori: polimēri, virsmaktīvās vielas vai funkcionālās piedevas var vēl vairāk uzlabot MAC dispersijas stabilitāti

Disperģēšana ar ultraskaņu, izmantojot Hielscher zondes tipa ultraskaņas aparātus, ir pārbaudīta, mērogojama un ļoti efektīva metode amorfā oglekļa monoslāņa apstrādei šķidrumos. Gan nelielā laboratorijas mērogā, gan pilna mēroga rūpnieciskajā ražošanā Hielscher ultraskaņas aparāti nodrošina viendabīgas, stabilas dispersijas, ļaujot pilnībā izmantot amorfā oglekļa monoslāņa (MAC) potenciālu nākamās paaudzes augstas veiktspējas kompozītmateriālos, elektrovadošos pārklājumos un ar nanomateriāliem uzlabotos produktos.

Tālāk sniegtā tabula ļauj gūt priekšstatu par mūsu ultraskaņas aparātu aptuveno apstrādes ražību:

Partijas tilpums	Plūsmas ātrums	Ieteicamās ierīces
0,5 līdz 1,5mL	n.a.	VialTweeter
1 līdz 500mL	10 līdz 200mL/min	UP100H
10 līdz 2000mL	20 līdz 400mL/min	UP200Ht, UP400St
0,1 līdz 20L	0,2 līdz 4L/min	UIP2000hdT
10 līdz 100L	2 līdz 10L/min	UIP4000hdT
15 līdz 150L	3 līdz 15L/min	UIP6000hdT
n.a.	10 līdz 100L/min	UIP16000hdT
n.a.	lielāks	iekārtu grupa: UIP16000hdT

Kāpēc Hielscher Ultrasonics?

augsta efektivitāte
vismodernākā tehnoloģija
uzticamība un izturība
regulējama, precīza procesa kontrole
apstrāde partijās un plūsmā
jebkuram tilpumam
vieda programmatūra
viedās funkcijas (piemēram, programmējamība, datu reģistrēšana, tālvadība)
vienkārša un droša lietošana
nelielas apkopes prasības
CIP (tīrīšana uz vietas)

Projektēšana, ražošana un konsultācijas – Vācijā radīta kvalitāte

Hielscher ultraskaņas aparāti ir plaši pazīstami ar saviem visaugstākajiem kvalitātes un konstrukcijas standartiem. Izturība un vienkārša lietošana ļauj mūsu ultraskaņas aparātus viegli integrēt rūpnieciskajās ražotnēs. Hielscher ultraskaņas aparāti bez grūtībām darbojas skarbos apstākļos un prasīgā vidē.

Hielscher Ultrasonics ir ISO sertificēts uzņēmums, kas īpašu uzmanību pievērš augstas veiktspējas ultraskaņas aparātiem ar vismodernākajām tehnoloģijām un ērtu lietošanu. Protams, Hielscher ultraskaņas aparāti atbilst CE prasībām un izpilda UL, CSA un RoHs prasības.

Saistītās tēmas

Literatūra / atsauces

SOP – Ultrasonic Dispersion of Multi-Walled Carbon-Nanotubes using the UP400ST Sonicator – Hielscher Ultrasonics
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.

Bieži uzdotie jautājumi

Kas ir amorfā oglekļa monoslānis?

Amorfā oglekļa monoslānis (MAC) ir vienu atomu bieza, nekristāliska oglekļa forma, ko parasti sintezē ar ķīmisko tvaiku nogulsnēšanu (CVD) vai citām plāno kārtiņu nogulsnēšanas metodēm. Atšķirībā no grafēna, kam ir labi sakārtots heksagonāls režģis, MAC nepiemīt atomu tālā kārtība, un atomu mērogā tam ir nesakārtota, tomēr vienmērīga struktūra.

Kas ir amorfais ogleklis?

Amorfais ogleklis (a-C) ir nekristāliska oglekļa alotropiskā forma, ko raksturo periodiskas atomu tālās kārtības trūkums. Tas satur sp² (grafītisku) un sp³ (dimantam līdzīgu) hibridizētu oglekļa atomu maisījumu, un tā īpašības mainās atkarībā no nogulsnēšanas metodes un ūdeņraža satura. Paveidi ietver hidrogenētu amorfo oglekli (a-C:H), tetraedrisku amorfo oglekli (ta-C) un dimantam līdzīgu oglekli (DLC).

Vai amorfā oglekļa monoslānis ir pieejams apjomīgā formā?

Nē, amorfā oglekļa monoslānis nav pieejams apjomīgā formā tā divdimensionālās dabas dēļ. To sintezē kā īpaši plānu kārtiņu uz pamatnēm, un to nevar saražot lielos, patstāvīgi pastāvošos materiāla apjomos kā grafītu vai dimantu.

Kāda ir atšķirība starp amorfo oglekli un kristālisko oglekli?

Galvenā atšķirība ir atomu izkārtojumā. Kristāliskajam ogleklim (piemēram, grafītam, dimantam) ir skaidri definēts periodisks režģis, savukārt amorfajam ogleklim nepiemīt tālā kārtība. Šī strukturālā atšķirība ietekmē elektroniskās, mehāniskās un optiskās īpašības – kristāliskajām formām piemīt anizotropija un atšķirīgas enerģijas joslu struktūras, savukārt amorfajam ogleklim ir izotropas īpašības un mainīga elektrovadītspēja.

Kādas ir oglekļa formas?

Ogleklim ir vairākas alotropiskās formas, tostarp:

Kristāliskās formas: dimants, grafīts, grafēns, oglekļa nanocaurulītes (CNTs), fullerēni (piemēram, C₆₀).
Amorfās formas: kokogle, sodrēji, tehniskais ogleklis, stiklveida ogleklis, dimantam līdzīgs ogleklis (DLC), amorfā oglekļa monoslānis (MAC).
Hibrīdās nanostruktūras: nanodimanti, sīpolveida oglekļa nanostruktūras, oglekļa aerogeli un kompozītmateriāli, piemēram, nanooglekļa un metālu hibrīdi.

Katrai formai piemīt atšķirīgas fizikāli ķīmiskās īpašības, kas ir nozīmīgas lietojumiem materiālzinātnē, elektronikā un enerģijas uzkrāšanā.