Ultrasone dispersie van eenlaagse amorfe koolstof (MAC) in vloeistoffen

Eenlaagse amorfe koolstof (MAC) is een nieuw nanomateriaal op koolstofbasis met uitzonderlijke mechanische sterkte, flexibiliteit en geleidbaarheid. De integratie ervan in vloeibare matrices is cruciaal voor toepassingen in composieten met hoge prestaties, energieopslag, coatings en elektronische materialen. Het verkrijgen van een uniforme en stabiele dispersie van MAC vormt echter een uitdaging vanwege de sterke vanderwaalsinteracties en de neiging tot aggregatie. Ultrasone dispersie met sonicatoren van Hielscher met een sonde biedt een schaalbare en zeer efficiënte oplossing om MAC-clusters uiteen te breken en een homogene verdeling in vloeibare fasen te waarborgen.

Uitdagingen bij MAC-dispersie

Door de ultradunne structuur en hoge oppervlakte-energie vormt MAC van nature meerlaagse stapels wanneer het in een vloeibaar medium wordt gebracht. Conventionele mengmethoden of methoden op basis van afschuiving slagen er vaak niet in MAC effectief te dispergeren, wat leidt tot:

Slechte homogeniteit in composietmaterialen
Verminderde mechanische eigenschappen door agglomeratie
Beperkte schaalbaarheid van het proces

Ultrasone cavitatie biedt een techniek die geen schade veroorzaakt, efficiënt en schaalbaar is en waarmee gedispergeerde, eenlaagse MAC in verschillende oplosmiddelen, polymeermatrices en reactieve formuleringen kan worden verkregen.

Ultrasone dispersie: mechanisme en voordelen

Ultrasone apparaten met een sonde genereren intense akoestische cavitatie in vloeistoffen, wat resulteert in plaatselijk hoge afschuifkrachten, microjets en schokgolven. Deze extreme omstandigheden breken MAC-aggregaten effectief uiteen, ontwarren de nanovellen en verdelen ze gelijkmatig. Belangrijke voordelen van ultrasone dispersie zijn:

Efficiënte exfoliatie: Zet meerlaagse MAC om in monolagen
Hoge stabiliteit: Voorkomt hernieuwde aggregatie door de interacties tussen oppervlakteactieve stoffen en oplosmiddelen te optimaliseren
Schaalbaarheid van het proces: Geschikt voor onderzoek op laboratoriumschaal, proefproductie en industriële productie op volledige schaal
Gecontroleerde verwerking: Instelbare parameters (amplitude, tijd, druk, temperatuur) maken optimalisatie voor specifieke toepassingen mogelijk

Sonicatoren van Hielscher met een sonde: schaalbare oplossingen voor MAC-dispersie

Hielscher Ultrasonics levert geavanceerde ultrasone processoren voor MAC-dispersie op elke schaal, van kleine laboratoriummonsters tot grootschalige industriële inlineprocessen. De modulaire systemen, die aan specifieke behoeften kunnen worden aangepast, bieden ongeëvenaarde precisie en efficiëntie.

De video toont het ultrasoon mengen en dispergeren van grafiet in 250mL epoxyhars (Toolcraft L) met een ultrasone homogenisator (UP400St, Hielscher Ultrasonics). Hielscher Ultrasonics maakt apparatuur voor het dispergeren van grafiet, grafeen, koolstofnanobuisjes, nanodraden of vulstoffen in het laboratorium of in grootschalige productieprocessen. Typische toepassingen zijn het dispergeren van nano- en micromaterialen tijdens het functionaliseringsproces of in harsen of polymeren.

MAC-dispersie op laboratoriumschaal

Voor onderzoek en ontwikkeling bieden de sonicatormodellen UP200Ht (200W) en UP400St (400W) van Hielscher nauwkeurige controle over de dispersieparameters. Deze ultrasone apparaten maken het volgende mogelijk:

Verwerking van kleine batches voor snelle haalbaarheidsstudies
Parameteroptimalisatie om de ideale amplitude en verwerkingsduur te bepalen
Reproduceerbaarheid voor verfijning van formuleringen

Proefproductie en productie op middelgrote schaal

Voor proefproductie of kleinschalige industriële productie bieden UIP1000hdT (1kW) en UIP2000hdT (2kW) meer vermogen, met behoud van nauwkeurig afgestemde controle over de dispersiekwaliteit. Hun kenmerken zijn onder meer:

Continue verwerking voor een hogere verwerkingscapaciteit
Doorstroomcelreactoren om inlinedispersie mogelijk te maken
Doorstroomcellen die onder druk kunnen worden gezet, maken verwerking onder verhoogde druk mogelijk

Inlinedispersie op industriële schaal

Voor MAC-dispersie in grote volumes maken de series UIP4000hdT, UIP6000hdT en UIP16000hdT van Hielscher (4kW–16kW per eenheid) continue inlinedispersie mogelijk, waarbij efficiëntie en reproduceerbaarheid op industrieel niveau worden gewaarborgd. Voordelen zijn onder meer:

Hoge verwerkingscapaciteit: Ontworpen voor grootschalige productie van composieten en coatings
Schaalbaar modulair ontwerp: Meerdere eenheden kunnen parallel worden gebruikt
Procesautomatisering: Integratie met sensoren en besturingssystemen voor realtimebewaking

Hoe bereik ik een optimale dispersie van eenlaagse amorfe koolstof?

Om de hoogste dispersiekwaliteit te bereiken, moeten belangrijke verwerkingsparameters worden geoptimaliseerd:

Amplitude: hogere amplitudes zorgen voor sterkere cavitatie, wat exfoliatie bevordert

Verwerkingstijd: langere sonicatie kan de dispersie verbeteren, maar de duur moet worden gecontroleerd om materiaaldegradatie te voorkomen

Keuze van het oplosmiddel: een juiste keuze van het oplosmiddel verbetert de stabiliteit en dispergeerbaarheid van MAC

Oppervlakteactieve stoffen/stabilisatoren: polymeren, oppervlakteactieve stoffen of functionele additieven kunnen de stabiliteit van MAC-dispersies verder verbeteren

Ultrasone dispersie met sonicatoren van Hielscher met een sonde is een bewezen, schaalbare en zeer efficiënte techniek voor de verwerking van eenlaagse amorfe koolstof in vloeistoffen. Zowel op kleine laboratoriumschaal als bij volledige industriële productie waarborgen sonicatoren van Hielscher homogene, stabiele dispersies, waardoor het volledige potentieel van eenlaagse amorfe koolstof (MAC) wordt ontsloten voor composieten met hoge prestaties van de volgende generatie, geleidende coatings en producten die met nanomaterialen zijn verbeterd.

De onderstaande tabel geeft u een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze ultrasone apparaten:

Batchvolume	Debiet	Aanbevolen apparaten
0,5 tot 1,5mL	n.v.t.	VialTweeter
1 tot 500mL	10 tot 200mL/min	UP100H
10 tot 2000mL	20 tot 400mL/min	UP200Ht, UP400St
0,1 tot 20L	0,2 tot 4L/min	UIP2000hdT
10 tot 100L	2 tot 10L/min	UIP4000hdT
15 tot 150L	3 tot 15L/min	UIP6000hdT
n.v.t.	10 tot 100L/min	UIP16000hdT
n.v.t.	hoger	cluster van UIP16000hdT

Waarom Hielscher Ultrasonics?

hoge efficiëntie
geavanceerde technologie
betrouwbaarheid & robuustheid
instelbare, nauwkeurige procescontrole
batch & inline
voor elk volume
intelligente software
slimme functies (bijv. programmeerbaarheid, gegevensregistratie, bediening op afstand)
eenvoudig en veilig te bedienen
weinig onderhoud
CIP (reiniging ter plaatse)

Ontwerp, productie en advies – kwaliteit uit Duitsland

De ultrasone apparaten van Hielscher staan bekend om hun hoogste kwaliteits- en ontwerpnormen. Dankzij hun robuustheid en eenvoudige bediening kunnen onze ultrasone apparaten soepel in industriële installaties worden geïntegreerd. De ultrasone apparaten van Hielscher kunnen zware omstandigheden en veeleisende omgevingen gemakkelijk aan.

Hielscher Ultrasonics is een ISO-gecertificeerd bedrijf en legt bijzondere nadruk op ultrasone apparaten met hoge prestaties met geavanceerde technologie en gebruiksvriendelijkheid. Uiteraard voldoen de ultrasone apparaten van Hielscher aan de CE-voorschriften en aan de eisen van UL, CSA en RoHs.

Verwante onderwerpen

Literatuur / referenties

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.

Veelgestelde vragen

Wat is eenlaagse amorfe koolstof?

Eenlaagse amorfe koolstof (MAC) is een niet-kristallijne vorm van koolstof met een dikte van één atoom, die doorgaans wordt gesynthetiseerd via chemische dampdepositie (CVD) of andere technieken voor dunnefilmdepositie. In tegenstelling tot grafeen, dat een goed geordend hexagonaal rooster heeft, ontbreekt bij MAC atomaire ordening op lange afstand en vertoont het een ongeordende maar uniforme structuur op atomaire schaal.

Wat is amorfe koolstof?

Amorfe koolstof (a-C) is een niet-kristallijne allotroop van koolstof die wordt gekenmerkt door het ontbreken van periodieke atomaire ordening op lange afstand. Het bevat een mengsel van sp²-gehybridiseerde (grafietachtige) en sp³-gehybridiseerde (diamantachtige) koolstofatomen, met eigenschappen die variëren afhankelijk van de depositiemethode en het waterstofgehalte. Varianten zijn onder meer gehydrogeneerde amorfe koolstof (a-C:H), tetraëdrische amorfe koolstof (ta-C) en diamantachtige koolstof (DLC).

Is eenlaagse amorfe koolstof verkrijgbaar als bulkmateriaal?

Nee, eenlaagse amorfe koolstof is vanwege zijn tweedimensionale aard niet verkrijgbaar als bulkmateriaal. Het wordt gesynthetiseerd als een ultradunne film op substraten en kan niet in grote hoeveelheden vrijstaand bulkmateriaal worden geproduceerd, zoals grafiet of diamant.

Wat is het verschil tussen amorfe koolstof en kristallijne koolstof?

Het belangrijkste verschil ligt in de atomaire rangschikking. Kristallijne koolstof (bijv. grafiet, diamant) heeft een duidelijk gedefinieerd periodiek rooster, terwijl amorfe koolstof geen ordening op lange afstand heeft. Dit structurele verschil beïnvloedt de elektronische, mechanische en optische eigenschappen – kristallijne vormen vertonen anisotropie en kenmerkende bandstructuren, terwijl amorfe koolstof isotrope eigenschappen en een variabele elektrische geleidbaarheid heeft.

Welke vormen van koolstof zijn er?

Koolstof komt voor in verschillende allotropen, waaronder:

Kristallijne vormen: diamant, grafiet, grafeen, koolstofnanobuizen (CNTs), fullerenen (bijv. C₆₀).
Amorfe vormen: houtskool, roet, carbon black, glasachtige koolstof, diamantachtige koolstof (DLC), eenlaagse amorfe koolstof (MAC).
Hybride nanostructuren: nanodiamanten, koolstofuien, koolstofaerogels en composieten zoals hybriden van nanokoolstof en metaal.

Elke vorm vertoont kenmerkende fysisch-chemische eigenschappen die relevant zijn voor toepassingen in de materiaalkunde, elektronica en energieopslag.