Grafēna disperģēšana ar ultraskaņu
Lai grafēnu iekļautu kompozītmateriālos, tas ir jādisperģē vai jāeksfoliē atsevišķās nanoloksnēs, tās vienmērīgi sadalot visā kompozīcijā. Jo pilnīgāk tiek izjaukti grafēna aglomerāti, jo labāk var izmantot tā izcilās materiāla īpašības. Disperģēšana ar ultraskaņu nodrošina izcilu daļiņu sadalījumu un dispersijas stabilitāti pat pie augstas koncentrācijas un viskozitātes. Šī metode nodrošina izcilu disperģēšanas kvalitāti, ievērojami pārspējot tradicionālās sajaukšanas metodes.
Grafēna disperģēšana ar ultraskaņu
Lai kompozītmateriāliem piešķirtu grafēna izcilās īpašības, piemēram, tā stiprību, grafēns ir vienmērīgi jādisperģē matricā vai jāuzklāj uz pamatnes plānas kārtiņas veidā. Galvenie faktori, kas ietekmē iegūtā materiāla īpašības, ir aglomerācija, sedimentācija un grafēna sadalījums matricā vai daļiņu sadalījums uz pamatnes.
Grafēna hidrofobās dabas dēļ stabilas un ļoti koncentrētas dispersijas iegūšana bez virsmaktīvajām vielām vai disperģētājiem ir sarežģīta. Van der Vālsa spēku pārvarēšanai ir nepieciešami spēcīgi bīdes spēki, kurus var efektīvi radīt ar ultraskaņas kavitāciju. Šī ir vismodernākā metode stabilu dispersiju sagatavošanai.
Rūpnieciskie ultraskaņas aparāti grafēna disperģēšanai ar lielu apstrādes ražību.
Izmantojot ultraskaņas disperģētāju, piemēram, 2kW ultraskaņas aparātu UIP2000hdT, 4kW ultraskaņas aparātu UIP4000hdT, 6kW ultraskaņas aparātu UIP6000hdT vai 16kW ultraskaņas aparātu UIP16000hdT, var viegli sagatavot grafēnu ar augstu elektrovadītspēju (712 S·m-1), labu dispersitāti un augstu koncentrāciju. Apstrāde ar ultraskaņu ļauj sagatavot arī stabilu grafēna dispersiju zemā procesa temperatūrā – aptuveni 65°C.
Plašāku informāciju un tehniskos datus par Hielscher rūpnieciskajiem zondes tipa ultraskaņas aparātiem grafēna eksfoliācijai un disperģēšanai var atrast šeit:
- UIP1000hdT (1000 vatu jaudas ultraskaņa)
- UIP2000hdT (2000 vatu jaudas ultraskaņa)
- UIP4000hdT (4000 vatu jaudas ultraskaņa)
- UIP6000hdT (6000 vatu jaudas ultraskaņa)
- UIP16000hdT (16 000 vatu jaudas ultraskaņa)
Visi Hielscher ultraskaņas aparāti ļauj precīzi kontrolēt visus svarīgos procesa parametrus, un ultraskaņas disperģēšanas tehnoloģija novērš grafēna ķīmiskās struktūras un kristālstruktūras bojājumus – tādējādi iegūst neskartas grafēna pārslas bez defektiem.
Hielscher jaudīgie ultraskaņas aparāti spēj apstrādāt grafēnu un grafītu lielos apjomos, piemēram, veicot eksfoliāciju šķidrajā fāzē un grafēna disperģēšanu. Precīza procesa parametru kontrole ļauj vienmērīgi palielināt ultraskaņas procesu mērogu no galda iekārtām līdz pilna mēroga komerciālai ražošanai.
Ar ultraskaņu eksfoliētu mazslāņu grafēnu ar aptuveni 3–4 slāņiem un aptuveni 1μm izmēru var disperģēt vai atkārtoti disperģēt vismaz 63 mg/mL koncentrācijā.
Grafēna nanoplāksnīšu SEM attēli (b) X3000 un (c) X8000 palielinājumā
(Pētījums un attēli: ©Alizadeh et al., 2018)
- augstas kvalitātes grafēns
- liela apstrādes ražība / augsts iznākums
- vienmērīga dispersija
- augsta koncentrācija
- augsta viskozitāte
- ātrs process
- zemas izmaksas
- ļoti efektīvs
- videi draudzīgs
7kW ultraskaņas reaktors grafēna dispersijām
Ultraskaņas homogenizatori un disperģētājs grafēnam
Hielscher Ultrasonics piedāvā lieljaudas ultraskaņas sistēmas grafēna un grafīta ar daudziem slāņiem eksfoliācijai un disperģēšanai, iegūstot viena, divu un dažu slāņu grafēnu. To uzticamie ultraskaņas procesori un modernie reaktori nodrošina nepieciešamo jaudu un precīzu vadību konkrētu procesa mērķu sasniegšanai.
Viens no būtiskākajiem procesa parametriem ir ultraskaņas amplitūda, kas raksturo ultraskaņas sonotrodes svārstību pārvietojumu. Hielscher rūpnieciskās ultraskaņas ierīces ir paredzētas ļoti augstu amplitūdu nodrošināšanai, nepārtraukti darbojoties ar amplitūdu līdz 200µm. Vēl augstākām amplitūdām ir pieejamas īpaši pielāgotas ultraskaņas zondes. Visu Hielscher ultraskaņas ierīču procesa parametrus var precīzi pielāgot nepieciešamajiem procesa apstākļiem un uzraudzīt ar iebūvēto programmatūru, nodrošinot augstu uzticamību, nemainīgu kvalitāti un reproducējamus rezultātus. Hielscher ultraskaņas ierīču izturīgā konstrukcija ir paredzēta darbībai 24/7 prasīgos apstākļos, padarot apstrādi ar ultraskaņu par vēlamo tehnoloģiju viena un dažu slāņu grafēna nanolokšņu ražošanai lielā mērogā.
Hielscher piedāvā plašu ultraskaņas ierīču un piederumu klāstu, tostarp dažādu izmēru un ģeometriju sonotrodes un reaktorus. Tas ļauj izvēlēties optimālus reakcijas apstākļus un faktorus, piemēram, reaģentus, ultraskaņas enerģijas ievadi uz tilpuma vienību, spiedienu, temperatūru un plūsmas ātrumu, lai sasniegtu visaugstāko kvalitāti. To ultraskaņas reaktoros spiedienu var paaugstināt līdz vairākiem simtiem barg, tādējādi ļaujot ar ultraskaņu apstrādāt ļoti viskozas pastas (līdz 250 000 centipuāzu).
Šīs iespējas padara ultraskaņas delamināciju, eksfoliāciju un disperģēšanu pārāku par tradicionālajām smalcināšanas un malšanas metodēm.
Hielscher ultraskaņas ierīces ir tehnoloģiski vismodernākie ultraskaņas homogenizatori tirgū. Izmantojiet daudzās priekšrocības, ko sniedz Hielscher ultraskaņas ierīces!
Grafisks attēlojums, kas ilustrē grafēna nanoplāksnīšu sintēzi ar ultraskaņu, izmantojot ultraskaņas ierīci UP100H
(Pētījums un grafiskais attēlojums: Ghanem and Rehim, 2018)
Hielscher ultraskaņas ierīces grafēna apstrādei:
- lieljaudas ultraskaņa
- lieli bīdes spēki
- iespējams izmantot augstu spiedienu
- precīza vadība
- netraucēta mērogojamība (lineāra)
- apstrāde partijās un caurplūdē
- reproducējami rezultāti
- uzticamība
- izturība
- augsta energoefektivitāte
Noderīga informācija
Kas ir grafēns?
Grafēns ir vienu atomu biezs oglekļa slānis, ko var raksturot kā viena slāņa jeb 2D grafēna struktūru (viena slāņa grafēns = SLG). Grafēnam ir ārkārtīgi liels īpatnējās virsmas laukums un izcilas mehāniskās īpašības (Junga modulis 1 TPa un piemītošā stiprība 130 GPa), augsta elektrovadītspēja un siltumvadītspēja, augsta lādiņnesēju kustīgums un caurspīdīgums, un tas ir gāzu necaurlaidīgs. Šo materiāla īpašību dēļ grafēnu izmanto kā pastiprinošu piedevu, lai piešķirtu kompozītmateriāliem tā stiprību, vadītspēju u. c. īpašības. Lai apvienotu grafēna īpašības ar citu materiālu īpašībām, grafēns jādisperģē maisījumā vai jāuzklāj uz pamatnes kā plānas kārtiņas pārklājums.
Bieži lietoti šķīdinātāji, ko izmanto kā šķidro fāzi grafēna nanolokšņu disperģēšanai, ir dimetilsulfoksīds (DMSO) , N,N-dimetilformamīds (DMF), N-metil-2-pirolidons (NMP), tetrametilurīnviela (TMU, tetrahidrofurāns (THF), propylene carbonateacetone (PC), etanols un formamīds.
Vai grafēnu var disperģēt ūdenī?
Jā, grafēnu var disperģēt ūdenī, izmantojot virsmaktīvās vielas, polimērus vai citus stabilizatorus, lai novērstu agregāciju un saglabātu dispersijas stabilitāti. Arī uzticamām disperģēšanas iekārtām, piemēram, zondes tipa ultraskaņas ierīcēm, ir būtiska nozīme grafēna disperģēšanā, jo tās izmanto ultraskaņas enerģiju aglomerātu sašķelšanai un grafēna daļiņu izmēra samazināšanai, veicinot vienmērīgākas un stabilākas dispersijas veidošanos šķidrajā vidē.
Vai grafēna oksīds var izšķīst ūdenī?
Jā, grafēna oksīds var izšķīst ūdenī, pateicoties tā skābekli saturošajām funkcionālajām grupām, kas palielina tā hidrofilitāti un ļauj tam veidot stabilas dispersijas ūdenī.
Kāds ir labākais šķīdinātājs grafēna disperģēšanai?
Labākais šķīdinātājs grafēna disperģēšanai ir N-metil-2-pirolidons (NMP), pateicoties tā augstajai polaritātei un spējai stabilizēt grafēna loksnes, nodrošinot viendabīgu un stabilu dispersiju.
Kāpēc grafēns nešķīst ūdenī?
Grafēns nešķīst ūdenī, jo tam nav funkcionālo grupu, kas spētu mijiedarboties ar ūdens molekulām, tāpēc tas ir hidrofobs un spēcīgo van der Vālsa spēku dēļ starp grafēna loksnēm tam ir tendence agregēties.
Kāpēc grafēnu izmanto kompozītmateriālos?
Grafēns ar viena atoma biezumu ir visplānākais, ar masu aptuveni 0,77 mg uz 1m2 visvieglākais un ar stiepes stingumu 150 000 000 psi (100–300 reižu izturīgāks par tēraudu) un stiepes izturību 130 000 000 000 paskālu – visizturīgākais zināmais materiāls.
Turklāt grafēns ir labākais siltumvadītājs (istabas temperatūrā ar siltumvadītspēju no (4,84±0,44) × 103 līdz (5,30±0,48) × 103 W·m-11·K-1) un labākais elektrības vadītājs (elektronu kustīgums pārsniedz 15 000 cm2·V-1·s-1).
Vēl viena svarīga grafēna īpašība ir tā optiskās īpašības – baltās gaismas absorbcija πα≈2,3% apmērā un caurspīdīgais izskats.
Iekļaujot grafēnu matricās, šīs izcilās materiāla īpašības var pārnest uz iegūto kompozītmateriālu, nodrošinot tam unikālas funkcionālās iespējas. Šādi ar grafēnu pastiprināti kompozītmateriāli paver jaunas iespējas materiālu izstrādei un rūpnieciskiem lietojumiem. Grafēna un tā kompozītmateriālu īpašību dēļ tos jau plaši izmanto augstas veiktspējas akumulatoru, superkondensatoru, elektrovadošu tinšu, pārklājumu, fotoelektrisko sistēmu un elektronisko ierīču ražošanā.
Hielscher ultraskaņas aparāti nodrošina nepieciešamos lielos bīdes spēkus van der Vālsa spēku pārvarēšanai, lai vienmērīgi sadalītu grafēna nanoloksnes kompozītmateriālu matricās. Ultraskaņas disperģētājus, piemēram, UIP2000hdT vai UIP16000, izmanto ar grafēnu un grafēna oksīdu pastiprinātu nanokompozītmateriālu ražošanai.
Literatūra/atsauces
- 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 ražo augstas veiktspējas ultraskaņas homogenizatorus no laboratorijas mēroga iekārtām līdz rūpnieciska mēroga iekārtām.