Dispersia cu ultrasunete a grafenului
Pentru a încorpora grafenul în compozite, este esențial să se disperseze sau să se exfolieze grafenul în nano-foi unice uniform pe întreaga formulă. Cu cât grafenul este mai bine aglomerat, cu atât pot fi utilizate mai bine proprietățile sale extraordinare ale materialului. Dispersia cu ultrasunete oferă o distribuție superioară a particulelor și stabilitatea dispersiei, chiar și la concentrații și vâscozități ridicate. Această metodă oferă o calitate remarcabilă a dispersiei, depășind cu mult tehnicile convenționale de amestecare.
Dispersia cu ultrasunete a grafenului
Pentru a impregna compozitele cu caracteristicile remarcabile ale grafenului, cum ar fi rezistența sa, grafenul trebuie dispersat uniform într-o matrice sau aplicat ca un strat subțire pe un substrat. Factorii cheie care influențează proprietățile materialului rezultat includ aglomerarea, sedimentarea și dispersia în matrice sau distribuția particulelor pe substrat.
Datorită naturii hidrofobe a grafenului, crearea unei dispersii stabile și foarte concentrate fără agenți tensioactivi sau dispersanți este o provocare. Depășirea forțelor van der Waals necesită forțe puternice de forfecare, care pot fi generate eficient prin cavitație cu ultrasunete. Această metodă este cea mai sofisticată pentru prepararea dispersiilor stabile.
Sonicatoare industriale pentru dispersia cu randament ridicat a grafenului.
[/one_third_last]
Mai multe informații și detalii tehnice despre sonicatoarele industriale de tip sondă Hielscher pentru exfolierea și dispersia grafenului pot fi găsite aici:
- UIP1000hdT (1000 wați putere ultrasunete)
- UIP2000hdT (2000 wați putere ultrasunete)
- UIP4000hdT (4000 wați putere ultrasunete)
- UIP6000hdT (6000 wați putere ultrasunete)
- UIP16000hdT (16,000 wați putere ultrasunete)
Toate sonicatoare Hielscher permite controlul precis asupra tuturor parametrilor importanți ai procesului, tehnologia de dispersie cu ultrasunete evită deteriorarea structurilor chimice și cristaline ale grafenului – rezultând fulgi de grafen imaculați, fără defecte.
Hielscher ultrasonicators puternice sunt capabile să proceseze grafen și grafit în volume mari, de exemplu, pentru exfoliere în fază lichidă și dispersie grafen. Controlul exact asupra parametrilor procesului permite scalarea fără probleme a proceselor cu ultrasunete de la banc-top la producția comercială completă.
Grafenul cu câteva straturi exfoliat ultrasonically cu aproximativ 3-4 straturi și o dimensiune aproximativă de 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 și colab., 2018)
- grafen de înaltă calitate
- randament ridicat / randamente ridicate
- dispersie uniformă
- concentrație ridicată
- Vâscozități ridicate
- proces rapid
- cost redus
- Foarte eficient
- ecologic
7kW reactor cu ultrasunete pentru dispersii de grafen
Omogenizatoare cu ultrasunete și dispersor pentru grafen
Hielscher Ultrasonics oferă sisteme cu ultrasunete de mare putere pentru exfolierea și dispersarea grafenului și grafitului în straturi în mono-, bi-, și grafen cu puține straturi. Procesoarele lor cu ultrasunete fiabile și reactoarele avansate oferă puterea necesară și controlul precis pentru a atinge obiectivele specifice ale procesului.
Unul dintre parametrii cei mai esențiali ai procesului este amplitudinea ultrasonică, care este deplasarea vibrațională la cornul ultrasonic. Hielscher ultrasonicators industriale sunt concepute pentru a furniza amplitudini foarte mari, cu funcționare continuă la până la 200μm. Pentru amplitudini și mai mari, sunt disponibile sonde ultrasonice personalizate. Parametrii de proces ai tuturor sonicatoarelor Hielscher pot fi ajustate cu precizie la condițiile de proces necesare și monitorizate prin intermediul software-ului încorporat, asigurând o fiabilitate ridicată, calitate constantă și rezultate reproductibile. Designul robust al sonicatoarelor Hielscher sunt construite pentru funcționarea 24/7 în medii solicitante, făcând sonicare tehnologia preferată pentru producția pe scară largă de nanofoi de grafen mono- și câteva straturi.
Hielscher oferă o gamă largă de ultrasonicators și accesorii, inclusiv sonotrodes și reactoare de diferite dimensiuni și geometrii. Acest lucru permite selectarea condițiilor și factorilor optimi de reacție, ar fi reactivii, aportul de energie cu ultrasunete pe volum, presiunea, temperatura și debitul, pentru a obține cea mai înaltă calitate. Reactoarele lor cu ultrasunete pot fi presurizate până la câteva sute de barg, ceea ce face sonicare de paste foarte vâscoase (până la 250.000 centipoise) fezabil.
Aceste capacități fac delaminarea cu ultrasunete, exfolierea și dispersarea superioară tehnicilor convenționale de măcinare și frezare.
Hielscher sonicators sunt cele mai sofisticate omogenizatoare cu ultrasunete de pe piață. Profitați de numeroasele beneficii care vin cu sonicatoare Hielscher!
Vizualizarea grafică sinteza cu ultrasunete a nanoplachetelor de grafen folosind sonicator UP100H
(Studiu și grafic: Ghanem și Rehim, 2018)
Hielscher Sonicators pentru grafen:
- ultrasunete de mare putere
- forțe mari de forfecare
- presiuni ridicate aplicabile
- Control precis
- Scalabilitate perfectă (liniară)
- lot și flux
- rezultate reproductibile
- fiabilitate
- robustețe
- eficiență energetică ridicată
Fapte care merită știute
Ce este grafenul?
Grafenul este un strat de carbon gros de un atom, care poate fi descris ca o structură cu un singur strat sau 2D de grafen (grafen cu un singur strat = SLG). Grafenul are o suprafață specifică extraordinar de mare și proprietăți mecanice superioare (modulul lui Young de 1 TPa și rezistența intrinsecă de 130 GPa), oferă o conductivitate electronică și termică excelentă, mobilitate purtătoare de sarcină, transparență și este impermeabil la gaze. Datorită acestor caracteristici ale materialului, grafenul este utilizat ca aditiv de armare pentru a conferi compozitelor rezistența, conductivitatea etc. Pentru a combina caracteristicile grafenului cu alte materiale, grafenul trebuie dispersat în compus sau este aplicat ca un strat subțire pe un substrat.
Solvenții obișnuiți, care sunt adesea utilizați ca fază lichidă pentru dispersarea nanofoilor de grafen, includ dimetilsulfoxid (DMSO), N,N-dimetilformamidă (DMF), N-metil-2-pirolidonă (NMP), tetrametiluree (TMU, tetrahidrofuran (THF), carbonatacetonă de propilenă (PC), etanol și formamidă.
Grafenul poate fi dispersat în apă?
Da, grafenul poate fi dispersat în apă folosind agenți tensioactivi, polimeri sau alți agenți stabilizatori pentru a preveni agregarea și pentru a menține stabilitatea dispersiei. Echipamente fiabile de dispersie, ar fi sonicatoare de tip sondă joacă, de asemenea, un rol crucial în dispersia grafenului prin utilizarea energiei cu ultrasunete pentru a descompune aglomeratele și pentru a reduce dimensiunea particulelor de grafen, promovând o dispersie mai uniformă și mai stabilă în mediul lichid.
Oxidul de grafen se poate dizolva în apă?
Da, oxidul de grafen se poate dizolva în apă datorită grupelor 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 grafenul este insolubil în apă?
Grafenul este insolubil în apă, deoarece nu are grupuri funcționale care pot interacționa cu moleculele de apă, făcându-l hidrofob și predispus la agregare datorită forțelor puternice van der Waals între foile de grafen.
De ce se folosește grafenul în compozite?
Grafenul este cu o grosime de un atom cel mai subțire, cu o greutate de aproximativ 0,77 mg pe 1m2 cel mai ușor și cu o rigiditate la tracțiune de 150.000.000 psi (de 100-300 de ori mai puternic decât oțelul) și o rezistență la tracțiune de 130.000.000.000 pascali, cel mai puternic material cunoscut.
În plus, 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 la πα≈2,3% din lumina albă 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 armate cu grafen oferă noi posibilități pentru dezvoltarea materialelor și aplicații industriale. Datorită caracteristicilor sale, grafenul și compozitele de grafen sunt deja răspândite pe scară largă în fabricarea bateriilor de înaltă performanță, a supercondensatoarelor, a cernelurilor conductoare, a acoperirilor, a sistemelor fotovoltaice și a dispozitivelor electronice
Hielscher sonicators livra forțele de forfecare necesare mari pentru a depăși forțele van der Waals, în scopul de a distribui nanosheets de grafen uniform în matrice compozite. Dispersoare cu ultrasunete, ar fi UIP2000hdT sau UIP16000 sunt utilizate pentru a produce nano-compozite armate cu oxid de grafen și 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 Laborator spre dimensiunea industrială.