Dispersarea grafenului cu ultrasunete
Pentru a încorpora grafenul în materiale compozite, este esențial ca acesta să fie dispersat sau exfoliat în nanofoi individuale, distribuite uniform în întreaga formulare. Cu cât grafenul este dezaglomerat mai temeinic, cu atât proprietățile sale extraordinare de material pot fi valorificate mai bine. Dispersarea cu ultrasunete oferă o distribuție superioară a particulelor și o stabilitate superioară a dispersiei, chiar și la concentrații și vâscozități ridicate. Această metodă asigură o calitate remarcabilă a dispersiei, depășind cu mult tehnicile convenționale de amestecare.
Dispersarea grafenului cu ultrasunete
Pentru a conferi materialelor compozite caracteristicile remarcabile ale grafenului, cum ar fi rezistența sa, grafenul trebuie dispersat uniform într-o matrice sau aplicat ca acoperire sub formă de peliculă subțire pe un substrat. Factorii cheie care influențează proprietățile materialului rezultat includ aglomerarea, sedimentarea și dispersia în matrice sau distribuția particulelor pe substrat.
Din cauza naturii hidrofobe a grafenului, obținerea unei dispersii stabile și foarte concentrate fără surfactanți sau dispersanți este dificilă. Depășirea forțelor van der Waals necesită forțe de forfecare puternice, care pot fi generate eficient prin cavitație ultrasonică. Această metodă este cea mai sofisticată pentru prepararea dispersiilor stabile.
Sonicatoare industriale pentru dispersarea grafenului cu capacitate mare de procesare.
Utilizând un dispersor cu ultrasunete, cum ar fi sonicatorul de 2kW UIP2000hdT, sonicatorul de 4kW UIP4000hdT, sonicatorul de 6kW UIP6000hdT sau sonicatorul de 16kW UIP16000hdT, se poate prepara cu ușurință grafen cu conductivitate electrică ridicată (712 S·m-1), dispersabilitate bună și concentrație ridicată. Sonicarea permite, de asemenea, prepararea unei dispersii stabile de grafen la o temperatură de proces scăzută, de aproximativ 65°C.
Mai multe informații și detalii tehnice despre sonicatoarele industriale cu sondă Hielscher pentru exfolierea și dispersarea grafenului găsiți aici:
- UIP1000hdT (ultrasunete de putere de 1000 wați)
- UIP2000hdT (ultrasunete de putere de 2000 wați)
- UIP4000hdT (ultrasunete de putere de 4000 wați)
- UIP6000hdT (ultrasunete de putere de 6000 wați)
- UIP16000hdT (ultrasunete de putere de 16.000 wați)
Toate sonicatoarele Hielscher permit controlul precis al tuturor parametrilor importanți ai procesului, iar tehnologia de dispersare cu ultrasunete evită deteriorarea structurilor chimice și cristaline ale grafenului – rezultând fulgi de grafen intacți, fără defecte.
Ultrasonicatoarele puternice Hielscher sunt capabile să proceseze grafen și grafit în volume mari, de ex. pentru exfolierea în fază lichidă și dispersarea grafenului. Controlul exact al parametrilor de proces permite scalarea fără discontinuități a proceselor cu ultrasunete de la scara de banc de laborator până la producția comercială la scară completă.
Grafenul cu puține straturi exfoliat cu ultrasunete, cu aprox. 3–4 straturi și o dimensiune de aprox. 1μm, poate fi (re)dispersat la concentrații de cel puțin 63 mg/mL.
Imagini SEM ale nanoplachetelor de grafen la (b) X3000 și (c) X8000
(Studiu și imagini: ©Alizadeh et al., 2018)
- grafen de înaltă calitate
- capacitate mare de procesare / randamente ridicate
- dispersie uniformă
- concentrație ridicată
- vâscozități ridicate
- proces rapid
- cost redus
- foarte eficient
- ecologic
Reactor cu ultrasunete de 7kW pentru dispersii de grafen
Omogenizatoare cu ultrasunete și dispersor pentru grafen
Hielscher Ultrasonics furnizează sisteme cu ultrasunete de mare putere pentru exfolierea și dispersarea grafenului și grafitului stratificat în masă în grafen mono-, bi- și cu puține straturi. Procesoarele cu ultrasunete fiabile și reactoarele avansate ale companiei furnizează puterea necesară și controlul precis pentru atingerea obiectivelor specifice ale procesului.
Unul dintre cei mai esențiali parametri de proces este amplitudinea ultrasonică, adică deplasarea vibrațională la nivelul sonotrodei. Ultrasonicatoarele industriale Hielscher sunt concepute pentru a furniza amplitudini foarte ridicate, cu funcționare continuă la până la 200µm. Pentru amplitudini și mai ridicate sunt disponibile sonotrode personalizate. Parametrii de proces ai tuturor sonicatoarelor Hielscher pot fi ajustați precis la condițiile de proces necesare și monitorizați prin software-ul integrat, asigurând fiabilitate ridicată, calitate constantă și rezultate reproductibile. Designul robust al sonicatoarelor Hielscher este construit pentru funcționare 24/7 în medii solicitante, ceea ce face din sonicare tehnologia preferată pentru producția la scară largă de nanofoi de grafen mono- și cu puține straturi.
Hielscher oferă o gamă largă de ultrasonicatoare și accesorii, inclusiv sonotrode și reactoare de diverse dimensiuni și geometrii. Acest lucru permite selectarea condițiilor și factorilor de reacție optimi, precum reactivii, aportul de energie ultrasonică pe volum, presiunea, temperatura și debitul, pentru a obține cea mai înaltă calitate. Reactoarele cu ultrasunete ale companiei pot fi presurizate până la câteva sute de barg, ceea ce face fezabilă sonicarea pastelor foarte vâscoase (până la 250.000 centipoise).
Aceste capacități fac ca delaminarea, exfolierea și dispersarea cu ultrasunete să fie superioare tehnicilor convenționale de măcinare și mărunțire.
Sonicatoarele Hielscher sunt cele mai sofisticate omogenizatoare cu ultrasunete de pe piață. Profitați de numeroasele avantaje pe care le oferă sonicatoarele Hielscher!
Grafic care ilustrează sinteza cu ultrasunete a nanoplachetelor de grafen folosind sonicatorul UP100H
(Studiu și grafic: Ghanem și Rehim, 2018)
Sonicatoare Hielscher pentru grafen:
- ultrasunete de mare putere
- forțe de forfecare ridicate
- se pot aplica presiuni ridicate
- control precis
- scalabilitate fără discontinuități (liniară)
- în șarjă și în flux continuu
- rezultate reproductibile
- fiabilitate
- robustețe
- eficiență energetică ridicată
Informații utile
Ce este grafenul?
Grafenul este un strat de carbon cu grosimea de un atom, care poate fi descris ca o structură monostrat sau 2D a grafenului (grafen monostrat = SLG). Grafenul are o suprafață specifică extraordinar de mare și proprietăți mecanice superioare (modul Young de 1 TPa și rezistență intrinsecă de 130 GPa), oferă o conductivitate electronică și termică excelentă, mobilitate a purtătorilor de sarcină, transparență și este impermeabil la gaze. Datorită acestor caracteristici ale materialului, grafenul este utilizat ca aditiv de ranforsare pentru a conferi compozitelor rezistență, conductivitate etc. Pentru a combina caracteristicile grafenului cu alte materiale, grafenul trebuie dispersat în compus sau este aplicat ca acoperire sub formă de peliculă subțire pe un substrat.
Solvenții uzuali, folosiți adesea ca fază lichidă pentru dispersarea nanofoilor de grafen, includ dimetilsulfoxidul (DMSO) , N,N-dimetilformamida (DMF), N-metil-2-pirolidona (NMP), tetrametilureea (TMU, tetrahidrofuranul (THF), propylene carbonateacetone (PC), etanolul și formamida.
Poate fi grafenul dispersat în apă?
Da, grafenul poate fi dispersat în apă folosind surfactanți, polimeri sau alți agenți de stabilizare pentru a preveni agregarea și a menține stabilitatea dispersiei. Echipamentele de dispersare fiabile, cum ar fi sonicatoarele cu sondă, joacă de asemenea un rol crucial în dispersarea grafenului, folosind energia ultrasonică pentru a sparge aglomeratele și a reduce dimensiunea particulelor de grafen, favorizând o dispersie mai uniformă și mai stabilă în mediul lichid.
Se poate dizolva oxidul de grafen în apă?
Da, oxidul de grafen se poate dizolva în apă datorită grupărilor sale funcționale care conțin oxigen, care îi sporesc hidrofilicitatea și îi permit să formeze dispersii apoase stabile.
Care este cel mai bun solvent pentru dispersarea grafenului?
Cel mai bun solvent pentru dispersarea grafenului este N-metil-2-pirolidona (NMP), datorită polarității sale ridicate și capacității de a stabiliza foile de grafen, rezultând o dispersie uniformă și stabilă.
De ce este grafenul insolubil în apă?
Grafenul este insolubil în apă deoarece îi lipsesc grupările funcționale care pot interacționa cu moleculele de apă, ceea ce îl face hidrofob și predispus la agregare din cauza forțelor van der Waals puternice dintre foile de grafen.
De ce este utilizat grafenul în compozite?
Grafenul este, cu o grosime de un atom, cel mai subțire, cu o greutate de aprox. 0,77 mg per 1m2 cel mai ușor, iar cu o rigiditate la tracțiune de 150.000.000 psi (de 100–300 de ori mai rezistent decât oțelul) și o rezistență la tracțiune de 130.000.000.000 Pascali, cel mai rezistent material cunoscut.
Mai mult, grafenul este cel mai bun conductor termic (la temperatura camerei, cu (4,84±0,44) × 103 până la (5,30±0,48) × 103 W·m-11·K-1) și cel mai bun conductor electric (mobilitate electronică mai mare de 15.000 cm2·V-1·s-1).
O altă caracteristică importantă a grafenului este proprietatea sa optică, cu o absorbție a luminii de πα≈2,3% din lumina albă, precum și aspectul său transparent.
Prin încorporarea grafenului în matrice, aceste caracteristici remarcabile ale materialului pot fi transferate compozitului rezultat, care oferă funcționalități unice. Astfel de compozite ranforsate cu grafen oferă noi posibilități pentru dezvoltarea materialelor și aplicațiile industriale. Datorită caracteristicilor sale, grafenul și compozitele cu grafen sunt deja larg răspândite în fabricarea bateriilor de înaltă performanță, a supercondensatoarelor, a cernelurilor conductive, a acoperirilor, a sistemelor fotovoltaice și a dispozitivelor electronice
Sonicatoarele Hielscher furnizează forțele de forfecare ridicate necesare pentru depășirea forțelor van der Waals, în vederea distribuirii uniforme a nanofoilor de grafen în matricele compozite. Dispersoarele cu ultrasunete precum UIP2000hdT sau UIP16000 sunt utilizate pentru producerea nanocompozitelor ranforsate cu grafen și cu oxid de grafen.
Literatură/Referințe
- 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 produce omogenizatoare cu ultrasunete de înaltă performanță, de la scară de laborator până la scară industrială.