tlenek grafenu – Ultradźwiękowe złuszczanie i dyspersja
Tlenek grafenu jest rozpuszczalny w wodzie, amfifilowy, nietoksyczny, biodegradowalny i może być łatwo zdyspergowany w stabilne koloidy. Ultradźwiękowe złuszczanie i dyspersja jest bardzo wydajną, szybką i opłacalną metodą syntezy, dyspersji i funkcjonalizacji tlenku grafenu na skalę przemysłową. W dalszej obróbce dyspergatory ultradźwiękowe wytwarzają wysokowydajne kompozyty tlenku grafenu i polimerów.
Ultradźwiękowe złuszczanie tlenku grafenu
W celu kontrolowania wielkości nanosieci tlenku grafenu (GO), metoda eksfoliacji odgrywa kluczową rolę. Ze względu na precyzyjnie kontrolowane parametry procesu, eksfoliacja ultradźwiękowa jest najczęściej stosowaną techniką rozwarstwiania do produkcji wysokiej jakości grafenu i tlenku grafenu.
Do ultradźwiękowego złuszczania tlenku grafenu z tlenku grafitu dostępne są różne protokoły. Poniżej znajduje się jeden przykładowy opis:
Proszek tlenku grafitu miesza się w wodnym KOH o wartości pH 10. Do eksfoliacji i późniejszej dyspersji stosuje się ultrasonograf sondowy UP200St (200W). Następnie jony K + są przyłączane do podstawowej płaszczyzny grafenu w celu wywołania procesu starzenia. Starzenie uzyskuje się w procesie parowania obrotowego (2 h). W celu usunięcia nadmiaru jonów K+, proszek jest płukany i odwirowywany różne razy.
Otrzymana mieszanina jest odwirowywana i liofilizowana, dzięki czemu wytrąca się dyspergowalny proszek tlenku grafenu.
Przygotowanie przewodzącej pasty z tlenku grafenu: Proszek tlenku grafenu można zdyspergować w dimetyloformamidzie (DMF) pod wpływem sonikacji w celu wytworzenia pasty przewodzącej. (Han et al.2014)
tlenek grafenu – Złuszczanie (Zdjęcie: Potts et al. 2011)
Ultradźwiękowe dyspergowanie tlenku grafenu
Ultradźwiękowa funkcjonalizacja tlenku grafenu
Sonikacja jest z powodzeniem stosowana do wprowadzania tlenku grafenu (GO) do polimerów i kompozytów.
Przykłady:
- Kompozyt tlenku grafenu i mikrosfer TiO2
- kompozyt polistyren-magnetyt-tlenek grafenu (struktura rdzeń-powłoka)
- Kompozyty polistyrenowe ze zredukowanym tlenkiem grafenu
- kompozyt rdzeń-powłoka z nanowłókien polianilinowych powlekanych polistyrenem/tlenkiem grafenu (PANI-PS/GO)
- tlenek grafenu interkalowany polistyrenem
- Tlenek grafenu modyfikowany p-fenylenodiaminą-4-winylobenzenem-polistyrenem
System ultradźwiękowy do złuszczania tlenku grafenu
Sonikatory do przetwarzania grafenu i tlenku grafenu
Hielscher Ultrasonics oferuje systemy ultradźwiękowe o dużej mocy do złuszczania, dyspersji i dalszej obróbki grafenu i tlenku grafenu. Niezawodne procesory ultradźwiękowe i zaawansowane reaktory zapewniają wymaganą moc, warunki procesowe oraz precyzyjną kontrolę, dzięki czemu wyniki procesu ultradźwiękowego można dokładnie dostosować do pożądanych celów procesu.
Jednym z najważniejszych parametrów procesu jest amplituda ultradźwiękowa, czyli rozszerzalność i kurczliwość drgań sondy ultradźwiękowej. Hielscher's przemysłowe systemy ultradźwiękowe są zbudowane do dostarczania bardzo wysokich amplitud. Amplitudy do 200 µm mogą być z łatwością stale uruchamiane w trybie 24/7. Dla jeszcze wyższych amplitud, Hielscher oferuje niestandardowe sondy ultradźwiękowe. Wszystkie nasze procesory ultradźwiękowe można dokładnie dostosować do wymaganych warunków procesowych i łatwo monitorować za pomocą wbudowanego oprogramowania. Zapewnia to najwyższą niezawodność, stałą jakość i powtarzalne wyniki. Wytrzymałość sonikatorów Hielscher pozwala na pracę w trybie 24/7 przy dużym obciążeniu i w wymagających środowiskach. To sprawia, że sonikacja jest preferowaną technologią produkcji do przygotowania na dużą skalę grafenu, tlenku grafenu i materiałów grafitowych.
Oferując szeroką gamę ultrasonografów i akcesoriów (takich jak sonotrody i reaktory o różnych rozmiarach i geometriach), można wybrać najbardziej odpowiednie warunki reakcji i czynniki (np. odczynniki, ultradźwiękowy wkład energii na objętość, ciśnienie, temperaturę, natężenie przepływu itp.) w celu uzyskania najwyższej jakości. Ponieważ nasze reaktory ultradźwiękowe mogą być pod ciśnieniem do kilkuset barg, sonikacja bardzo lepkich past z do 250.000 centipoise nie stanowi problemu dla systemów ultradźwiękowych Hielschers.
Ze względu na te czynniki, ultradźwiękowe rozwarstwianie / złuszczanie i dyspergowanie przewyższa konwencjonalne techniki mieszania i mielenia.
- wysoka moc
- duże siły ścinające
- możliwość stosowania wysokich ciśnień
- precyzyjna kontrola
- płynna skalowalność (liniowa)
- wsadowy i ciągły
- powtarzalne wyniki
- niezawodność
- solidność
- Wysoka wydajność energetyczna
Aby dowiedzieć się więcej o ultradźwiękowej syntezie, dyspersji i funkcjonalizacji grafenu, kliknij tutaj:
- Produkcja grafenu
- Nanopłytki grafenowe
- Złuszczanie grafenu na bazie wody
- Grafen dyspergowalny w wodzie
- tlenek grafenu
- ksenony
Fakty, które warto znać
Ultradźwięki i kawitacja: Jak grafit jest złuszczany do tlenku grafenu pod wpływem sonikacji
Ultradźwiękowe złuszczanie tlenku grafitu (GrO) opiera się na dużej sile ścinającej wywołanej kawitacją akustyczną. Kawitacja akustyczna powstaje w wyniku naprzemiennych cykli wysokiego ciśnienia / niskiego ciśnienia, które są generowane przez sprzężenie silnych fal ultradźwiękowych w cieczy. Podczas cykli niskiego ciśnienia powstają bardzo małe puste przestrzenie lub pęcherzyki próżniowe, które rosną podczas naprzemiennych cykli niskiego ciśnienia. Gdy pęcherzyki próżniowe osiągną rozmiar, w którym nie mogą wchłonąć więcej energii, zapadają się gwałtownie podczas cyklu wysokiego ciśnienia. Implozja pęcherzyków powoduje kawitacyjne siły ścinające i fale naprężeń, ekstremalne temperatury do 6000K, ekstremalne szybkości chłodzenia powyżej 1010K/s, bardzo wysokie ciśnienia do 2000 atm, ekstremalne różnice ciśnień, a także strumienie cieczy o prędkości do 1000 km/h (∼280 m/s).
Te intensywne siły wpływają na stosy grafitu, które ulegają rozwarstwieniu na jedno- lub kilkuwarstwowy tlenek grafenu i nieskazitelne nanosiatki grafenowe.
tlenek grafenu
Tlenek grafenu (GO) jest syntetyzowany poprzez eksfoliację tlenku grafitu (GrO). Podczas gdy tlenek grafitu jest materiałem 3D składającym się z milionów warstw grafenu z interkalowanymi tlenkami, tlenek grafenu jest jedno- lub kilkuwarstwowym grafenem, który jest natleniony po obu stronach.
Tlenek grafenu i grafen różnią się od siebie następującymi cechami: tlenek grafenu jest polarny, podczas gdy grafen jest niepolarny. Tlenek grafenu jest hydrofilowy, podczas gdy grafen jest hydrofobowy.
Oznacza to, że tlenek grafenu jest rozpuszczalny w wodzie, amfifilowy, nietoksyczny, biodegradowalny i tworzy stabilne zawiesiny koloidalne. Powierzchnia tlenku grafenu zawiera grupy epoksydowe, hydroksylowe i karboksylowe, które mogą wchodzić w interakcje z kationami i anionami. Ze względu na unikalną organiczno-nieorganiczną strukturę hybrydową i wyjątkowe właściwości, kompozyty GO-polimerowe oferują wysoki potencjał dla różnorodnych zastosowań przemysłowych. (Tolasz et al. 2014)
zredukowany tlenek grafenu
Zredukowany tlenek grafenu (rGO) jest wytwarzany przez ultradźwiękową, chemiczną lub termiczną redukcję tlenku grafenu. Podczas etapu redukcji większość tlenowych właściwości funkcjonalnych tlenku grafenu jest usuwana, dzięki czemu powstały zredukowany tlenek grafenu (rGO) ma bardzo podobne właściwości do czystego grafenu. Jednak zredukowany tlenek grafenu (rGO) nie jest wolny od defektów i nieskazitelny jak czysty grafen.
Literatura/Referencje
- FactSheet: Ultrasonic Graphene Exfoliation and Dispersion – Hielscher Ultrasonics – english version
- FactSheet: Exfoliación y Dispersión de Grafeno por Ultrasonidos – Hielscher Ultrasonics – spanish version
- Gouvea R.A., Konrath Jr L.G., Cava S., Carreno N.L.V., Goncalves M.R.F. (2011): Synthesis of nanometric graphene oxide and its effects when added in MgAl2O4 ceramic. 10th SPBMat Brazil.
- Kamisan A.I., Zainuddin L.W., Kamisan A.S., Kudin T.I.T., Hassan O.H., Abdul Halim N., Yahya M.Z.A. (2016): Ultrasonic Assisted Synthesis of Reduced Graphene Oxide in Glucose Solution. Key Engineering Materials Vol. 708, 2016. 25-29.
- Štengl V., Henych J., Slušná M., Ecorchard P. (2014): Ultrasound exfoliation of inorganic analogues of graphene. Nanoscale Research Letters 9(1), 2014.
- Štengl, V. (2012): Preparation of Graphene by Using an Intense Cavitation Field in a Pressurized Ultrasonic Reactor. Chemistry – A European Journal 18(44), 2012. 14047-14054.
- Tolasz J., Štengl V., Ecorchard P. (2014): The Preparation of Composite Material of Graphene Oxide–Polystyrene. 3rd International Conference on Environment, Chemistry and Biology IPCBEE vol.78, 2014.
- Potts J. R., Dreyer D. R., Bielawski Ch. W., Ruoff R.S (2011): Graphene-based polymer nanocomposites. Polymer Vol. 52, Issue 1, 2011. 5–25.