Ultrasone dispersie van grafeen
Om grafeen in composieten te verwerken, is het essentieel om het grafeen gelijkmatig door de gehele formulering te dispergeren of te exfoliëren tot afzonderlijke nanoplaatjes. Hoe grondiger het grafeen wordt gedeagglomereerd, hoe beter de buitengewone materiaaleigenschappen ervan kunnen worden benut. Ultrasone dispersie biedt een superieure deeltjesverdeling en dispersiestabiliteit, zelfs bij hoge concentraties en viscositeiten. Deze methode levert een uitstekende dispersiekwaliteit die conventionele mengtechnieken ver overtreft.
Ultrasone dispersie van grafeen
Om composieten de uitstekende eigenschappen van grafeen te geven, zoals de sterkte ervan, moet grafeen gelijkmatig in een matrix worden gedispergeerd of als een dunnefilmcoating op een substraat worden aangebracht. Belangrijke factoren die de resulterende materiaaleigenschappen beïnvloeden, zijn agglomeratie, sedimentatie en de dispersie binnen de matrix of de deeltjesverdeling op het substraat.
Door het hydrofobe karakter van grafeen is het een uitdaging om zonder oppervlakteactieve stoffen of dispergeermiddelen een stabiele en sterk geconcentreerde dispersie te maken. Om vanderwaalskrachten te overwinnen, zijn sterke afschuifkrachten nodig, die effectief door ultrasone cavitatie kunnen worden opgewekt. Dit is de meest geavanceerde methode voor het bereiden van stabiele dispersies.
Industriële sonicators voor het dispergeren van grafeen met een hoge verwerkingscapaciteit.
Met een ultrasone dispergeerder, zoals de 2kW-sonicator UIP2000hdT, de 4kW-sonicator UIP4000hdT, de 6kW-sonicator UIP6000hdT of de 16kW-sonicator UIP16000hdT, kan eenvoudig grafeen worden bereid met een hoge elektrische geleidbaarheid (712 S·m-1), een goede dispersiteit en een hoge concentratie. Sonicatie maakt ook de bereiding van een stabiele grafeendispersie mogelijk bij een lage procestemperatuur van ongeveer 65°C.
Meer informatie en technische details over industriële sonicators van Hielscher met een sonde voor de exfoliatie en dispersie van grafeen vindt u hier:
- UIP1000hdT (1000 watt hoogvermogenultrageluid)
- UIP2000hdT (2000 watt hoogvermogenultrageluid)
- UIP4000hdT (4000 watt hoogvermogenultrageluid)
- UIP6000hdT (6000 watt hoogvermogenultrageluid)
- UIP16000hdT (16.000 watt hoogvermogenultrageluid)
Alle sonicators van Hielscher maken een nauwkeurige regeling van alle belangrijke procesparameters mogelijk. De ultrasone dispersietechnologie voorkomt beschadiging van de chemische structuren en kristalstructuren van grafeen – wat resulteert in ongerepte grafeenvlokken zonder defecten.
De krachtige ultrasone apparaten van Hielscher kunnen grafeen en grafiet in grote volumes verwerken, bijvoorbeeld voor exfoliatie in de vloeistoffase en grafeendispersie. De nauwkeurige regeling van de procesparameters maakt een naadloze opschaling van ultrasone processen mogelijk, van tafelmodellen tot volledige commerciële productie.
Ultrasoon geëxfolieerd grafeen met weinig lagen, ongeveer 3–4 lagen en een afmeting van ongeveer 1μm, kan bij concentraties van ten minste 63 mg/mL worden gedispergeerd of opnieuw worden gedispergeerd.
SEM-beelden van grafeennanoplaatjes bij (b) X3000 en (c) X8000
(Onderzoek en afbeeldingen: ©Alizadeh et al., 2018)
- grafeen van hoge kwaliteit
- hoge verwerkingscapaciteit / hoge opbrengsten
- uniforme dispersie
- hoge concentratie
- hoge viscositeiten
- snel proces
- lage kosten
- zeer efficiënt
- milieuvriendelijk
Ultrasone reactor van 7kW voor grafeendispersies
Ultrasone homogenisatoren en dispergeerder voor grafeen
Hielscher Ultrasonics levert ultrasone systemen met hoog vermogen voor het exfoliëren en dispergeren van gelaagd grafeen en grafiet in bulkvorm tot grafeen met één, twee of enkele lagen. Hun betrouwbare ultrasone processors en geavanceerde reactoren leveren het benodigde vermogen en de nauwkeurige regeling om specifieke procesdoelen te bereiken.
Een van de meest essentiële procesparameters is de ultrasone amplitude, oftewel de trillingsverplaatsing bij de ultrasone hoorn. De industriële ultrasone apparaten van Hielscher zijn ontworpen om zeer hoge amplitudes te leveren, met een continue werking bij amplitudes tot 200µm. Voor nog hogere amplitudes zijn op maat gemaakte ultrasone sondes beschikbaar. De procesparameters van alle sonicators van Hielscher kunnen nauwkeurig aan de vereiste procesomstandigheden worden aangepast en via ingebouwde software worden bewaakt. Dit waarborgt een hoge betrouwbaarheid, constante kwaliteit en reproduceerbare resultaten. Dankzij hun robuuste ontwerp zijn de sonicators van Hielscher gebouwd voor 24/7-gebruik in veeleisende omgevingen, waardoor sonicatie de voorkeurstechnologie is voor de grootschalige productie van grafeennanoplaatjes met één of enkele lagen.
Hielscher biedt een breed assortiment ultrasone apparaten en accessoires, waaronder sonotrodes en reactoren in verschillende afmetingen en geometrieën. Hierdoor kunnen optimale reactieomstandigheden en factoren worden geselecteerd, zoals reagentia, ultrasone energietoevoer per volume, druk, temperatuur en debiet, om de hoogste kwaliteit te bereiken. Hun ultrasone reactoren kunnen onder druk worden gezet tot enkele honderden barg, waardoor sonicatie van zeer viskeuze pasta’s (tot 250.000 centipoise) mogelijk wordt.
Dankzij deze mogelijkheden zijn ultrasone delaminatie, exfoliatie en dispersie superieur aan conventionele maaltechnieken.
De sonicators van Hielscher zijn de meest geavanceerde ultrasone homogenisatoren op de markt. Profiteer van de vele voordelen van de sonicators van Hielscher!
Illustratie van de ultrasone synthese van grafeennanoplaatjes met de sonicator UP100H
(Onderzoek en illustratie: Ghanem and Rehim, 2018)
Sonicators van Hielscher voor grafeen:
- ultrageluid met hoog vermogen
- hoge afschuifkrachten
- hoge drukken toepasbaar
- nauwkeurige regeling
- naadloze schaalbaarheid (lineair)
- batchverwerking en doorstroomverwerking
- reproduceerbare resultaten
- betrouwbaarheid
- robuustheid
- hoge energie-efficiëntie
Wetenswaardigheden
Wat is grafeen?
Grafeen is een één atoom dikke laag koolstof, die kan worden beschreven als een enkellaagse of 2D-structuur van grafeen (enkellaags grafeen = SLG). Grafeen heeft een buitengewoon groot specifiek oppervlak en superieure mechanische eigenschappen (een elasticiteitsmodulus van 1 TPa en een intrinsieke sterkte van 130 GPa), biedt een uitstekende elektronische en thermische geleidbaarheid, ladingsdragermobiliteit en transparantie, en is ondoorlaatbaar voor gassen. Vanwege deze materiaaleigenschappen wordt grafeen gebruikt als versterkend additief om composieten zijn sterkte, geleidbaarheid enz. te geven. Om de eigenschappen van grafeen met andere materialen te combineren, moet grafeen in het mengsel worden gedispergeerd of als een dunnefilmcoating op een substraat worden aangebracht.
Veelgebruikte oplosmiddelen die vaak als vloeistoffase voor het dispergeren van grafeennanoplaatjes worden gebruikt, zijn dimethylsulfoxide (DMSO) , N,N-dimethylformamide (DMF), N-methyl-2-pyrrolidon (NMP), tetramethylureum (TMU, tetrahydrofuraan (THF), propylene carbonateacetone (PC), ethanol en formamide.
Kan grafeen in water worden gedispergeerd?
Ja, grafeen kan in water worden gedispergeerd met behulp van oppervlakteactieve stoffen, polymeren of andere stabilisatoren om aggregatie te voorkomen en de dispersiestabiliteit te behouden. Betrouwbare dispergeerapparatuur, zoals sonicators met een sonde, speelt ook een cruciale rol bij grafeendispersie door ultrasone energie te gebruiken om agglomeraten uiteen te breken en de grafeendeeltjes te verkleinen. Dit bevordert een uniformere en stabielere dispersie in het vloeibare medium.
Kan grafeenoxide in water oplossen?
Ja, grafeenoxide kan in water oplossen dankzij zijn zuurstofhoudende functionele groepen, die zijn hydrofiliteit vergroten en de vorming van stabiele waterige dispersies mogelijk maken.
Wat is het beste oplosmiddel om grafeen te dispergeren?
Het beste oplosmiddel om grafeen te dispergeren is N-methyl-2-pyrrolidon (NMP), dankzij de hoge polariteit en het vermogen om grafeenplaatjes te stabiliseren, wat resulteert in een uniforme en stabiele dispersie.
Waarom is grafeen onoplosbaar in water?
Grafeen is onoplosbaar in water omdat het geen functionele groepen heeft die met watermoleculen kunnen interageren. Daardoor is het hydrofoob en heeft het de neiging te aggregeren door sterke vanderwaalskrachten tussen grafeenplaatjes.
Waarom wordt grafeen in composieten gebruikt?
Grafeen is met een dikte van één atoom het dunste, met een gewicht van ongeveer 0,77 mg per 1m2 het lichtste, en met een trekstijfheid van 150.000.000 psi (100–300 keer sterker dan staal) en een treksterkte van 130.000.000.000 pascal het sterkste bekende materiaal.
Bovendien is grafeen de beste warmtegeleider (bij kamertemperatuur met (4,84±0,44) × 103 tot (5,30±0,48) × 103 W·m-11·K-1) en de beste elektrische geleider (elektronenmobiliteit hoger dan 15.000 cm2·V-1·s-1).
Een andere belangrijke eigenschap van grafeen is zijn optische eigenschap, met een lichtabsorptie van πα≈2,3% van wit licht, en zijn transparante uiterlijk.
Door grafeen in matrices te verwerken, kunnen deze uitstekende materiaaleigenschappen worden overgedragen op het resulterende composiet, dat unieke functionaliteiten biedt. Dergelijke met grafeen versterkte composieten bieden nieuwe mogelijkheden voor materiaalontwikkeling en industriële toepassingen. Vanwege hun eigenschappen worden grafeen en grafeencomposieten al op grote schaal gebruikt bij de productie van batterijen met hoge prestaties, supercondensatoren, geleidende inkten, coatings, fotovoltaïsche systemen en elektronische apparaten
De sonicators van Hielscher leveren de vereiste hoge afschuifkrachten om vanderwaalskrachten te overwinnen en grafeennanoplaatjes gelijkmatig in composietmatrices te verdelen. Ultrasone dispergeerders zoals de UIP2000hdT of UIP16000 worden gebruikt om nanocomposieten te produceren die met grafeen en grafeenoxide zijn versterkt.
Literatuur/Referenties
- 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 produceert ultrasone homogenisatoren met hoge prestaties in formaten van laboratoriumformaat tot industrieel formaat.