Ультразвуковое диспергирование монослойного аморфного углерода (MAC) в жидкостях
Монослойный аморфный углерод (MAC) – новый наноматериал на основе углерода, обладающий исключительной механической прочностью, гибкостью и проводимостью. Его введение в жидкие матрицы имеет решающее значение для применения в высокоэффективных композитах, системах накопления энергии, покрытиях и электронных материалах. Однако получение однородной и стабильной дисперсии MAC сопряжено с трудностями из-за сильных ван-дер-ваальсовых взаимодействий и склонности к агрегации. Ультразвуковое диспергирование с использованием ультразвуковых аппаратов Hielscher зондового типа представляет собой масштабируемое и высокоэффективное решение для разрушения скоплений MAC и обеспечения однородного распределения в жидких фазах.
Трудности диспергирования MAC
Из-за своей сверхтонкой структуры и высокой поверхностной энергии MAC естественным образом агрегирует в многослойные стопки при введении в жидкую среду. Традиционные методы перемешивания или сдвиговой обработки часто не позволяют эффективно диспергировать MAC, что приводит к:
- Низкой однородности композитных материалов
- Ухудшению механических свойств вследствие агломерации
- Ограниченной масштабируемости процесса
Ультразвуковая кавитация представляет собой эффективный, масштабируемый метод, не повреждающий материал и позволяющий получать диспергированный однослойный MAC в различных растворителях, полимерных матрицах и реакционноспособных составах.
Ультразвуковое диспергирование: механизм и преимущества
Ультразвуковые аппараты зондового типа создают интенсивную акустическую кавитацию в жидкостях, вызывающую локальные высокие сдвиговые усилия, образование микроструй и ударных волн. Эти экстремальные условия эффективно разрушают агрегаты MAC, распутывают нанолисты и равномерно распределяют их. Основные преимущества ультразвукового диспергирования включают:
- Эффективное расслоение: Преобразует многослойный MAC в монослои
- Высокая стабильность: Предотвращает повторную агрегацию за счёт оптимизации взаимодействий поверхностно-активных веществ и растворителей
- Масштабируемость процесса: Подходит для лабораторных исследований, опытного производства и полномасштабного промышленного производства
- Контролируемая обработка: Регулируемые параметры (амплитуда, время, давление, температура) позволяют оптимизировать процесс для конкретных применений
Ультразвуковые аппараты Hielscher зондового типа: масштабируемые решения для диспергирования MAC
Hielscher Ultrasonics предлагает современные ультразвуковые процессоры для диспергирования MAC в любых масштабах – от небольших лабораторных образцов до крупномасштабных промышленных процессов в потоке. Их модульные системы с возможностью адаптации обеспечивают непревзойдённую точность и эффективность.
Ультразвуковой аппарат UP400St для однородного диспергирования углеродных наночастиц
Диспергирование MAC в лабораторном масштабе
Для исследований и разработок ультразвуковые аппараты Hielscher моделей UP200Ht (200W) и UP400St (400W) обеспечивают точный контроль параметров диспергирования. Эти ультразвуковые устройства позволяют:
- Обрабатывать небольшие партии для быстрой оценки осуществимости
- Оптимизировать параметры для определения идеальной амплитуды и продолжительности обработки
- Обеспечивать воспроизводимость для совершенствования рецептуры
Опытное и среднемасштабное производство
Для опытного или небольшого промышленного производства UIP1000hdT (1kW) и UIP2000hdT (2kW) обеспечивают повышенную мощность при сохранении тонкого контроля качества диспергирования. Их особенности включают:
- Непрерывную обработку для повышения производительности
- Реакторы с проточными ячейками для диспергирования в потоке
- Проточные ячейки, допускающие повышение давления, позволяют проводить обработку при повышенном давлении
Диспергирование в потоке в промышленном масштабе
Для диспергирования больших объёмов MAC аппараты Hielscher серий UIP4000hdT, UIP6000hdT и UIP16000hdT (4kW–16kW на устройство) обеспечивают непрерывное диспергирование в потоке, гарантируя эффективность и воспроизводимость на промышленном уровне. Преимущества включают:
- Высокая производительность обработки: Предназначены для крупномасштабного производства композитов и покрытий
- Масштабируемая модульная конструкция: Несколько устройств могут работать параллельно
- Автоматизация процесса: Интеграция с датчиками и системами управления для мониторинга в реальном времени
Как добиться оптимального диспергирования монослойного аморфного углерода?
Для достижения наивысшего качества диспергирования необходимо оптимизировать ключевые параметры обработки:
Ультразвуковое диспергирование с использованием ультразвуковых аппаратов Hielscher зондового типа – проверенный, масштабируемый и высокоэффективный метод обработки монослойного аморфного углерода в жидкостях. Как в небольших лабораторных масштабах, так и в полномасштабном промышленном производстве ультразвуковые аппараты Hielscher обеспечивают однородные, стабильные дисперсии, раскрывая весь потенциал монослойного аморфного углерода (MAC) для высокоэффективных композитов нового поколения, проводящих покрытий и изделий с улучшенными за счёт наноматериалов свойствами.
В приведённой ниже таблице указана приблизительная производительность обработки наших ультразвуковых аппаратов:
| Объём партии | Расход | Рекомендуемые устройства |
|---|---|---|
| От 0,5 до 1,5mL | Не применимо | VialTweeter |
| От 1 до 500mL | От 10 до 200mL/min | UP100H |
| От 10 до 2000mL | От 20 до 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| От 0,1 до 20L | От 0,2 до 4L/min | UIP2000hdT |
| От 10 до 100L | От 2 до 10L/min | UIP4000hdT |
| От 15 до 150L | От 3 до 15L/min | UIP6000hdT |
| Не применимо | От 10 до 100L/min | UIP16000hdT |
| Не применимо | Выше | Группа аппаратов UIP16000hdT |
- высокая эффективность
- современная технология
- надёжность и прочность
- регулируемое, точное управление процессом
- периодическая обработка и обработка в потоке
- для любого объёма
- интеллектуальное программное обеспечение
- интеллектуальные функции (например, возможность программирования, протоколирование данных, дистанционное управление)
- простота и безопасность эксплуатации
- минимальное техническое обслуживание
- CIP (очистка на месте)
Проектирование, производство и консультирование – качество из Германии
Ультразвуковые аппараты Hielscher широко известны высочайшими стандартами качества и проектирования. Прочность и простота эксплуатации позволяют без затруднений интегрировать наши ультразвуковые аппараты в промышленные установки. Ультразвуковые аппараты Hielscher легко справляются с тяжёлыми условиями и работой в средах с высокими требованиями.
Hielscher Ultrasonics – компания, сертифицированная по ISO, которая уделяет особое внимание высокоэффективным ультразвуковым аппаратам, сочетающим современные технологии и удобство использования. Разумеется, ультразвуковые аппараты Hielscher соответствуют требованиям CE и отвечают требованиям UL, CSA и RoHs.
Промышленный ультразвуковой аппарат UIP16000hdT для получения нанодисперсий с высокой производительностью
Литература / Ссылки
- SOP — Ultrasonic Dispersion of Multi-Walled Carbon-Nanotubes using the UP400ST Sonicator — Hielscher Ultrasonics
- 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.
- Anastasia V. Tyurnina, Iakovos Tzanakis, Justin Morton, Jiawei Mi, Kyriakos Porfyrakis, Barbara M. Maciejewska, Nicole Grobert, Dmitry G. Eskin 2020): Ultrasonic exfoliation of graphene in water: A key parameter study. Carbon, Vol. 168, 2020.
Часто задаваемые вопросы
Что такое монослойный аморфный углерод?
Монослойный аморфный углерод (MAC) – некристаллическая форма углерода толщиной в один атом, обычно синтезируемая методом химического осаждения из газовой фазы (CVD) или другими методами осаждения тонких плёнок. В отличие от графена, имеющего хорошо упорядоченную гексагональную решётку, MAC не обладает дальним атомным порядком и характеризуется неупорядоченной, но однородной структурой на атомном уровне.
Что такое аморфный углерод?
Аморфный углерод (a-C) – некристаллическая аллотропная форма углерода, характеризующаяся отсутствием дальнего периодического атомного порядка. Он содержит смесь атомов углерода с sp²-гибридизацией (графитоподобных) и sp³-гибридизацией (алмазоподобных), а его свойства меняются в зависимости от метода осаждения и содержания водорода. Разновидности включают гидрогенизированный аморфный углерод (a-C:H), тетраэдрический аморфный углерод (ta-C) и алмазоподобный углерод (DLC).
Доступен ли монослойный аморфный углерод в виде объёмного материала?
Нет, монослойный аморфный углерод недоступен в виде объёмного материала из-за своей двумерной природы. Он синтезируется в виде сверхтонкой плёнки на подложках и не может производиться в больших количествах в виде самостоятельного объёмного материала, как графит или алмаз.
В чём разница между аморфным и кристаллическим углеродом?
Основное различие заключается в расположении атомов. Кристаллический углерод (например, графит, алмаз) имеет чётко определённую периодическую решётку, тогда как аморфный углерод не обладает дальним порядком. Это структурное различие влияет на электронные, механические и оптические свойства – кристаллические формы проявляют анизотропию и имеют чётко выраженные зонные структуры, а аморфный углерод обладает изотропными свойствами и переменной электропроводностью.
Какие существуют формы углерода?
Углерод существует в нескольких аллотропных формах, включая:
- Кристаллические формы: алмаз, графит, графен, углеродные нанотрубки (CNTs), фуллерены (например, C₆₀).
- Аморфные формы: древесный уголь, сажа, технический углерод, стеклоуглерод, алмазоподобный углерод (DLC), монослойный аморфный углерод (MAC).
- Гибридные наноструктуры: наноалмазы, углеродные луковицы, углеродные аэрогели и композиты, такие как гибриды наноуглерода и металла.
Каждая форма обладает характерными физико-химическими свойствами, значимыми для применения в материаловедении, электронике и системах накопления энергии.
Hielscher Ultrasonics производит высокоэффективные ультразвуковые гомогенизаторы от лабораторного до промышленного масштаба.