Dispersão ultrassônica de grafeno
Para incorporar o grafeno em compósitos, é essencial dispersar ou esfoliar o grafeno em nanofolhas únicas uniformemente em toda a formulação. Quanto mais completamente o grafeno for desaglomerado, melhor suas extraordinárias propriedades materiais podem ser utilizadas. A dispersão ultrassônica oferece distribuição superior de partículas e estabilidade de dispersão, mesmo em altas concentrações e viscosidades. Este método oferece excelente qualidade de dispersão, superando em muito as técnicas convencionais de mistura.
Dispersão ultrassônica de grafeno
Para imbuir os compósitos com as características excepcionais do grafeno, como sua resistência, o grafeno deve ser uniformemente disperso em uma matriz ou aplicado como um revestimento de filme fino em um substrato. Os principais fatores que influenciam as propriedades do material resultante incluem aglomeração, sedimentação e dispersão dentro da matriz ou distribuição de partículas no substrato.
Devido à natureza hidrofóbica do grafeno, criar uma dispersão estável e altamente concentrada sem surfactantes ou dispersantes é um desafio. A superação das forças de van der Waals requer fortes forças de cisalhamento, que podem ser efetivamente geradas pela cavitação ultrassônica. Este método é o mais sofisticado para preparar dispersões estáveis.
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Mais informações e detalhes técnicos sobre os sonicadores do tipo sonda industrial Hielscher para esfoliação e dispersão de grafeno podem ser encontrados aqui:
- UIP1000hdT (ultrassom de potência de 1000 watts)
- UIP2000hdT (ultrassom de potência de 2000 watts)
- UIP4000hdT (ultrassom de 4000 watts de potência)
- UIP6000hdT (ultrassom de potência de 6000 watts)
- UIP16000hdT (ultrassom de potência de 16.000 watts)
Todos os sonicadores Hielscher permitem o controle preciso sobre todos os parâmetros importantes do processo, a tecnologia de dispersão ultrassônica evita danos às estruturas químicas e cristalinas do grafeno – resultando em flocos de grafeno imaculados e sem defeitos.
Os poderosos ultrasonicadores Hielscher são capazes de processar grafeno e grafite em grandes volumes, por exemplo, para esfoliação em fase líquida e dispersão de grafeno. O controle exato sobre os parâmetros do processo permite o aumento contínuo dos processos ultrassônicos desde a produção de bancada até a produção comercial completa.
O grafeno de poucas camadas esfoliado por ultrassom com aprox. 3-4 camadas e um tamanho aproximado de 1μm pode ser (re)disperso em concentrações de pelo menos 63 mg/mL.

Imagens SEM de nanoplaquetas de grafeno em (b) X3000 e (c) X8000
(Estudo e imagens: ©Alizadeh et al., 2018)
- grafeno de alta qualidade
- Alto rendimento / alto rendimento
- dispersão uniforme
- alta concentração
- Altas viscosidades
- Processo rápido
- baixo custo
- Altamente eficiente
- Ambientalmente amigável
Homogeneizadores ultrassônicos e dispersores para grafeno
A Hielscher Ultrasonics fornece sistemas ultrassônicos de alta potência para esfoliar e dispersar grafeno e grafite em camadas a granel em grafeno mono, bi e de poucas camadas. Seus processadores ultrassônicos confiáveis e reatores avançados fornecem a potência necessária e o controle preciso para atingir objetivos específicos do processo.
Um dos parâmetros de processo mais essenciais é a amplitude ultrassônica, que é o deslocamento vibracional na buzina ultrassônica. Os ultrassônicos industriais Hielscher são projetados para fornecer amplitudes muito altas, com operação contínua de até 200μm. Para amplitudes ainda maiores, estão disponíveis sondas ultrassônicas personalizadas. Os parâmetros de processo de todos os sonicadores Hielscher podem ser ajustados com precisão às condições de processo exigidas e monitorados por meio de software integrado, garantindo alta confiabilidade, qualidade consistente e resultados reprodutíveis. O design robusto dos sonicadores Hielscher é construído para operação 24 horas por dia, 7 dias por semana, em ambientes exigentes, tornando a sonicação a tecnologia preferida para a produção em larga escala de nanofolhas de grafeno mono e poucas camadas.
A Hielscher oferece uma ampla gama de ultrasonicadores e acessórios, incluindo sonotrodos e reatores de vários tamanhos e geometrias. Isso permite a seleção de condições e fatores de reação ideais, como reagentes, entrada de energia ultrassônica por volume, pressão, temperatura e vazão, para obter a mais alta qualidade. Seus reatores ultrassônicos podem ser pressurizados até várias centenas de barg, tornando viável a sonicação de pastas altamente viscosas (até 250.000 centipoise).
Esses recursos tornam a delaminação, esfoliação e dispersão ultrassônicas superiores às técnicas convencionais de moagem e moagem.

Visualização gráfica da síntese ultrassônica de nanoplaquetas de grafeno utilizando o sonicador UP100H
(Estudo e gráfico: Ghanem e Rehim, 2018)
Sonicadores Hielscher para grafeno:
- ultrassom de alta potência
- Altas forças de cisalhamento
- Altas pressões aplicáveis
- Controle preciso
- Escalabilidade perfeita (linear)
- batelada e fluxo contínuo
- Resultados reprodutíveis
- fiabilidade
- Robustez
- Alta eficiência energética
Fatos, vale a pena conhecer
O que é Grafeno?
O grafeno é uma camada de carbono com um átomo de espessura, que pode ser descrita como uma estrutura de grafeno de camada única ou 2D (grafeno de camada única = SLG). O grafeno tem uma área de superfície específica extraordinariamente grande e propriedades mecânicas superiores (módulo de Young de 1 TPa e resistência intrínseca de 130 GPa), oferece grande condutividade eletrônica e térmica, mobilidade do portador de carga, transparência e é impermeável a gases. Devido a essas características do material, o grafeno é usado como aditivo de reforço para dar aos compósitos sua resistência, condutividade, etc. Para combinar as características do grafeno com outros materiais, o grafeno deve ser disperso no composto ou aplicado como um revestimento de película fina em um substrato.
Solventes comuns, que são frequentemente usados como fase líquida para dispersar nanofolhas de grafeno, incluem dimetilsulfóxido (DMSO), N,N-dimetilformamida (DMF), N-metil-2-pirrolidona (NMP), tetrametilureia (TMU, tetrahidrofurano (THF), propileno carbonatoacetona (PC), etanol e formamida.
O grafeno pode ser disperso na água?
Sim, o grafeno pode ser disperso em água usando surfactantes, polímeros ou outros agentes estabilizadores para evitar a agregação e manter a estabilidade da dispersão. Equipamentos de dispersão confiáveis, como sonicadores do tipo sonda, também desempenham um papel crucial na dispersão do grafeno, usando energia ultrassônica para quebrar aglomerados e reduzir o tamanho das partículas de grafeno, promovendo uma dispersão mais uniforme e estável no meio líquido.
O óxido de grafeno pode se dissolver na água?
Sim, o óxido de grafeno pode se dissolver na água devido aos seus grupos funcionais contendo oxigênio, que aumentam sua hidrofilicidade e permitem que ele forme dispersões aquosas estáveis.
Qual é o melhor solvente para dispersar grafeno?
O melhor solvente para dispersar o grafeno é a N-metil-2-pirrolidona (NMP) devido à sua alta polaridade e capacidade de estabilizar as folhas de grafeno, resultando em uma dispersão uniforme e estável.
Por que o grafeno é insolúvel em água?
O grafeno é insolúvel em água porque não possui grupos funcionais que possam interagir com as moléculas de água, tornando-o hidrofóbico e propenso à agregação devido às fortes forças de van der Waals entre as folhas de grafeno.
Por que o grafeno é usado em compósitos?
O grafeno é com uma espessura de um átomo o mais fino, com um peso de aprox. 0,77 mg por 1m2 o mais leve e com uma rigidez à tração de 150.000.000 psi (100-300 vezes mais forte que o aço) e uma resistência à tração de 130.000.000.000 Pascals o material mais forte conhecido.
Além disso, o grafeno é o melhor condutor térmico (à temperatura ambiente com (4,84±0,44) × 103 até (5.30±0.48) × 103 W·m-11· K-1) e o melhor condutor elétrico (mobilidade de elétrons superior a 15.000 cm2· V-1·s-1).
Outra característica importante do grafeno é sua propriedade óptica com uma absorção de luz de πα≈2,3% da luz branca e sua aparência transparente.
Ao incorporar grafeno em matrizes, essas excelentes características do material podem ser transferidas para o composto resultante, que oferece funcionalidades exclusivas. Esses compósitos reforçados com grafeno oferecem novas possibilidades para o desenvolvimento de materiais e aplicações industriais. Devido às suas características, o grafeno e os compósitos de grafeno já são amplamente difundidos na fabricação de baterias de alto desempenho, supercapacitores, tintas condutoras, revestimentos, sistemas fotovoltaicos e dispositivos eletrônicos
Os sonicadores de Hielscher fornecem as altas forças de cisalhamento necessárias para superar as forças de van der Waals, a fim de distribuir nanofolhas de grafeno uniformemente em matrizes compostas. Dispersores ultrassônicos, como o UIP2000hdT ou UIP16000, são usados para produzir nanocompósitos reforçados com grafeno e óxido de grafeno.
Literatura/Referências
- 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.

A Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrassônicos de alto desempenho de labrador Para tamanho industrial.