Grafēna ultraskaņas dispersija
Lai iekļautu grafēnu kompozītmateriālos, ir svarīgi grafēnu vienmērīgi izkliedēt vai lobīt atsevišķās nanoloksnēs visā preparātā. Jo rūpīgāk grafēns ir deagglomerēts, jo labāk var izmantot tā ārkārtas materiālu īpašības. Ultraskaņas dispersija piedāvā izcilu daļiņu sadalījumu un dispersijas stabilitāti pat augstās koncentrācijās un viskozitātēs. Šī metode nodrošina izcilu dispersijas kvalitāti, ievērojami pārsniedzot parastās sajaukšanas metodes.
Grafēna ultraskaņas dispersija
Lai iegūtu kompozītmateriālus ar izcilām grafēna īpašībām, piemēram, tā izturību, grafēnam jābūt vienmērīgi izkliedētam matricā vai uzklātam kā plānas plēves pārklājumam uz pamatnes. Galvenie faktori, kas ietekmē iegūtās materiāla īpašības, ir aglomerācija, sedimentācija un dispersija matricā vai daļiņu sadalījums uz substrāta.
Grafēna hidrofobā rakstura dēļ ir grūti izveidot stabilu un ļoti koncentrētu dispersiju bez virsmaktīvajām vielām vai disperģējošām vielām. Van der Waals spēku pārvarēšanai nepieciešami spēcīgi bīdes spēki, kurus var efektīvi radīt ultraskaņas kavitācija. Šī metode ir vismodernākā stabilu dispersiju sagatavošanai.
Rūpnieciskie sonicatori grafēna augstas caurlaidspējas dispersijai.
Plašāku informāciju un tehnisko informāciju par Hielscher rūpnieciskās zondes tipa sonikatoriem grafēna pīlingam un dispersijai 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 sonikatori ļauj precīzi kontrolēt visus svarīgos procesa parametrus, ultraskaņas dispersijas tehnoloģija ļauj izvairīties no grafēna ķīmisko un kristālisko struktūru bojājumiem – rezultātā rodas senatnīgas, bez defektiem grafēna pārslas.
Hielscher spēcīgie ultrasonikatori spēj apstrādāt grafēnu un grafītu lielos apjomos, piemēram, šķidrās fāzes pīlingam un grafēna dispersijai. Precīza procesa parametru kontrole ļauj bez šuvju palielināt ultraskaņas procesus no stenda līdz pilnīgai komerciālai ražošanai.
Ultrasoniski pīlinga dažu slāņu grafēnu ar aptuveni 3-4 slāņiem un aptuveni 1 μm izmēru var (atkārtoti) disperģēt koncentrācijā vismaz 63 mg / ml.
Grafēna nanoplateletu SEM attēli b) X3000 un c) X8000
(Pētījums un attēli: ©Alizadeh et al., 2018)
- augstas kvalitātes grafēns
- augsta caurlaidspēja / augsta raža
- vienmērīga dispersija
- augsta koncentrācija
- augsta viskozitāte
- ātrs process
- zemas izmaksas
- Ļoti efektīvs
- videi draudzīgs
7kW ultraskaņas reaktors grafēna dispersijām
Ultraskaņas homogenizatori un izkliedētājs grafēnam
Hielscher Ultrasonics nodrošina augstas jaudas ultraskaņas sistēmas beztaras grafēna un grafīta pīlingam un izkliedēšanai mono-, bi- un dažu slāņu grafēnā. Viņu uzticamie ultraskaņas procesori un uzlabotie reaktori nodrošina nepieciešamo jaudu un precīzu kontroli, lai sasniegtu konkrētus procesa mērķus.
Viens no būtiskākajiem procesa parametriem ir ultraskaņas amplitūda, kas ir vibrācijas pārvietojums ultraskaņas ragā. Hielscher rūpnieciskie ultrasonikatori ir paredzēti, lai nodrošinātu ļoti augstas amplitūdas, nepārtraukti darbojoties līdz 200 μm. Vēl augstākām amplitūdām ir pieejamas pielāgotas ultraskaņas zondes. Visu Hielscher ultraskaņas aparātu procesa parametrus var precīzi pielāgot nepieciešamajiem procesa apstākļiem un uzraudzīt, izmantojot iebūvētu programmatūru, nodrošinot augstu uzticamību, konsekventu kvalitāti un reproducējamus rezultātus. Hielscher ultraskaņas aparātu izturīgais dizains ir veidots 24/7 darbībai prasīgā vidē, padarot ultraskaņu par vēlamo tehnoloģiju mono- un dažu slāņu grafēna nanolapu liela mēroga ražošanai.
Hielscher piedāvā plašu ultrasonikatoru un piederumu klāstu, ieskaitot dažādu izmēru un ģeometriju sonotrodes un reaktorus. Tas ļauj izvēlēties optimālus reakcijas apstākļus un faktorus, piemēram, reaģentus, ultraskaņas enerģijas ievadi uz tilpumu, spiedienu, temperatūru un plūsmas ātrumu, lai sasniegtu visaugstāko kvalitāti. Viņu ultraskaņas reaktorus var saspiest līdz pat vairākiem simtiem bargu, padarot ļoti viskozu pastu (līdz 250 000 centipoise) ultraskaņas apstrādi.
Šīs iespējas padara ultraskaņas delamināciju, pīlingu un izkliedēšanu pārāku par parastajām slīpēšanas un frēzēšanas metodēm.
Hielscher sonikatori ir vismodernākie ultraskaņas homogenizatori tirgū. Izmantojiet daudzās priekšrocības, kas nāk ar Hielscher sonikatoriem!
Grafēna nanoplateletu ultraskaņas sintēzes grafiskā vizualizācija, izmantojot sonikatoru UP100H
(Pētījums un grafiks: Ganems un Rehims, 2018)
Hielscher Sonicators for Graphene:
- lieljaudas ultraskaņa
- augsti bīdes spēki
- Piemērojamais augstais spiediens
- precīza kontrole
- Nemanāma mērogojamība (lineāra)
- Partija un caurplūde
- reproducējami rezultāti
- uzticamība
- Stabilitāti
- augsta energoefektivitāte
Fakti, kurus ir vērts zināt
Kas ir Grafēns?
Grafēns ir viena atoma biezs oglekļa slānis, ko var raksturot kā grafēna viena slāņa vai 2D struktūru (viena slāņa grafēns = SLG). Grafēnam ir ārkārtīgi liels īpatnējais virsmas laukums un izcilas mehāniskās īpašības (Young modulis 1 TPa un iekšējā izturība 130 GPa), tas nodrošina lielisku elektronisko un siltuma vadītspēju, uzlādes nesēja mobilitāti, caurspīdīgumu un ir gāzu necaurlaidīgs. Šo materiālu īpašību dēļ grafēns tiek izmantots kā pastiprinoša piedeva, lai kompozītmateriāliem piešķirtu izturību, vadītspēju utt. Lai apvienotu grafēna īpašības ar citiem materiāliem, grafēns ir disperģēts savienojumā vai tiek uzklāts kā plānas plēves pārklājums uz pamatnes.
Parastie šķīdinātāji, kurus bieži izmanto kā šķidro fāzi, lai disperģētu grafēna nanolapas, ietver dimetilsulfoksīdu (DMSO) , N,N-dimetilformamīdu (DMF), N-metil-2-pirolidonu (NMP), tetrametilurīnvielu (TMU, tetrahidrofurānu (THF), propilēna karbonātacetonu (PC), etanolu un formamīdu.
Vai grafēnu var izkliedēt ūdenī?
Jā, grafēnu var disperģēt ūdenī, izmantojot virsmaktīvās vielas, polimērus vai citus stabilizējošus līdzekļus, lai novērstu agregāciju un saglabātu dispersijas stabilitāti. Uzticamām izkliedējošām iekārtām, piemēram, zondes tipa sonikatoriem, ir arī izšķiroša loma grafēna dispersijā, izmantojot ultraskaņas enerģiju, lai sadalītu aglomerātus un samazinātu grafēna daļiņu lielumu, veicinot vienveidīgāku un stabilāku dispersiju šķidrā vidē.
Vai grafēna oksīds var izšķīst ūdenī?
Jā, grafēna oksīds var izšķīst ūdenī, pateicoties tā skābekli saturošajām funkcionālajām grupām, kas uzlabo tā hidrofilitāti un ļauj veidot stabilas ūdens dispersijas.
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, kā rezultātā rodas vienmērīga un stabila dispersija.
Kāpēc grafēns nešķīst ūdenī?
Grafēns nešķīst ūdenī, jo tam trūkst funkcionālu grupu, kas var mijiedarboties ar ūdens molekulām, padarot to hidrofobu un noslieci uz agregāciju, pateicoties spēcīgiem van der Vāla spēkiem starp grafēna loksnēm.
Kāpēc Grafēns tiek izmantots kompozītmateriālos?
Grafēns ir ar viena atoma biezumu plānākais, ar svaru aptuveni 0,77 mg uz 1m2 vieglākais un ar stiepes stīvumu 150 000 000 psi (100-300 reizes spēcīgāks par tēraudu) un stiepes izturību 130 000 000 000 Pascals spēcīgākais zināmais materiāls.
Turklāt grafēns ir labākais siltuma vadītājs (istabas temperatūrā ar (4.84±0.44) × 103 līdz (5.30±0.48) × 103 V·m-11· K-1) un labākais elektriskais vadītājs (elektronu mobilitāte augstāka par 15 000 cm2· V-1·s-1).
Vēl viena svarīga grafēna īpašība ir tā optiskā īpašība ar gaismas absorbciju πα≈2,3% baltās gaismas un tā caurspīdīgais izskats.
Iekļaujot grafēnu matricās, šīs izcilās materiāla īpašības var pārnest uz iegūto kompozītmateriālu, kas piedāvā unikālas funkcijas. Šādi grafēna pastiprināti kompozīti piedāvā jaunas iespējas materiālu izstrādei un rūpnieciskiem lietojumiem. Pateicoties savām īpašībām, grafēna un grafēna kompozīti jau ir plaši izplatīti augstas veiktspējas bateriju, superkondensatoru, vadošu tintes, pārklājumu, fotoelementu sistēmu un elektronisko ierīču ražošanā
Hielscher ultraskaņas aparāti nodrošina nepieciešamos augstos bīdes spēkus, lai pārvarētu van der Vāla spēkus, lai vienmērīgi sadalītu grafēna nanolapas kompozītmateriālu matricās. Ultraskaņas izkliedētāji, piemēram, UIP2000hdT vai UIP16000, tiek izmantoti, lai ražotu grafēna un grafēna oksīda pastiprinātus nano-kompozītus.
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 Lab līdz rūpnieciskais izmērs.