Ультразвуковое диспергирование монослоя аморфного углерода (МАС) в жидкостях
Монослой аморфного углерода (ПДК) — это новый наноматериал на основе углерода, обладающий исключительной механической прочностью, гибкостью и проводимостью. Его интеграция в жидкие матрицы имеет решающее значение для применения в высокоэффективных композитах, накопителях энергии, покрытиях и электронных материалах. Тем не менее, достижение равномерной и стабильной дисперсии ПДК сопряжено с трудностями из-за его сильных ван-дер-ваальсовых взаимодействий и склонности к агрегации. Ультразвуковое диспергирование с использованием ультразвуковых аппаратов зондового типа Hielscher обеспечивает масштабируемое и высокоэффективное решение для разделения кластеров MAC и обеспечения однородного распределения в жидких фазах.
Проблемы дисперсии MAC
Благодаря своей ультратонкой структуре и высокой поверхностной энергии, MAC естественным образом агрегируется в многослойные стопки при введении в жидкую среду. Традиционные методы смешивания или сдвига часто не позволяют эффективно диспергировать ПДК, что приводит к:
- Плохая однородность композитных материалов
- Снижение механических свойств из-за агломерации
- Ограниченная масштабируемость процессов
Ультразвуковая кавитация представляет собой эффективный и масштабируемый метод получения дисперсного однослойного ПДК в различных растворителях, полимерных матрицах и реакционноспособных составах.
Ультразвуковое диспергирование: механизм и преимущества
Ультразвуковые аппараты зондового типа создают интенсивную акустическую кавитацию в жидкостях, что приводит к локализованным высоким силам сдвига, микроструйному образованию и ударным волнам. Эти экстремальные условия эффективно разрушают агрегаты MAC, распутывают и равномерно распределяют нанолисты. К основным преимуществам ультразвуковой дисперсии можно отнести:
- Эффективное отшелушивание: Преобразует многослойный MAC в монослой
- Высокая стабильность: Предотвращает повторную агрегацию за счет оптимизации взаимодействия поверхностно-активных веществ и растворителей
- Масштабируемость процессов: Подходит для лабораторных исследований, опытного производства и полномасштабного промышленного производства
- Контролируемая обработка: Регулируемые параметры (амплитуда, время, давление, температура) позволяют оптимизировать их для конкретных областей применения
Ультразвуковые аппараты Хильшера: масштабируемые решения для дисперсии MAC
Hielscher Ultrasonics предлагает самые современные ультразвуковые процессоры, которые подходят для всех уровней диспергирования MAC, от небольших лабораторных образцов до крупномасштабных промышленных поточных процессов. Их модульные и настраиваемые системы обеспечивают непревзойденную точность и эффективность.
Ультразвуковой аппарат UP400St для гомогенного диспергирования углеродных наночастиц
Дисперсия MAC в лабораторных масштабах
Для исследований и разработок ультразвуковые аппараты Hielscher моделей UP200Ht (200 Вт) и UP400St (400 Вт) обеспечивают точное управление параметрами диспергирования. Данные ультразвуковые приборы позволяют:
- Мелкосерийная обработка для быстрого технико-экономического обоснования
- Оптимизация параметров для определения идеальной амплитуды и продолжительности обработки
- Воспроизводимость для уточнения рецептуры
Опытное и среднесерийное производство
Для пилотного или небольшого промышленного производства UIP1000hdT (1 кВт) и UIP2000hdT (2 кВт) обеспечивают повышенную мощность, сохраняя при этом тонко настроенный контроль качества диспергирования. К их особенностям можно отнести:
- Непрерывная обработка для повышения производительности
- Проточные реакторы для обеспечения поточного диспергирования
- Проточные ячейки под давлением позволяют обрабатывать под повышенным давлением
Промышленный инлайн Инлайн Диспергинг
Для диспергирования больших объемов MAC серии UIP4000hdT, UIP6000hdT и UIP16000hdT от Hielscher (4–16 кВт на единицу) обеспечивают непрерывное поточное диспергирование, обеспечивая эффективность и воспроизводимость на промышленном уровне. К преимуществам можно отнести:
- Высокая производительность: Предназначен для крупномасштабного производства композитных материалов и покрытий
- Масштабируемая модульная конструкция: Несколько установок могут работать параллельно
- Автоматизация процессов: Интеграция с датчиками и системами управления для мониторинга в режиме реального времени
Как добиться оптимальной дисперсии монослоя аморфного углерода?
Для достижения наивысшего качества диспергирования необходимо оптимизировать ключевые параметры обработки:
Ультразвуковое диспергирование с использованием ультразвуковых аппаратов зондового типа Хильшера является проверенным, масштабируемым и высокоэффективным методом обработки монослоя аморфного углерода в жидкостях. Будь то в небольших лабораторных масштабах или в полномасштабном промышленном производстве, ультразвуковые аппараты Hielscher обеспечивают однородные, стабильные дисперсии, раскрывая весь потенциал монослоя аморфного углерода (ПДК) для создания высокоэффективных композитов, проводящих покрытий и продуктов с улучшенными наноматериалами нового поколения.
В таблице ниже приведена примерная производительность обработки наших ультразвуковых аппаратов:
| Объем партии | Расход | Рекомендуемые устройства |
|---|---|---|
| 0от 0,5 до 1,5 мл | н.а. | VialTweeter |
| от 1 до 500 мл | От 10 до 200 мл/мин | УП100Ч |
| от 10 до 2000 мл | от 20 до 400 мл/мин | УП200Хт, УП400Ст |
| 0.1 до 20 л | 0от 0,2 до 4 л/мин | УИП2000HDT |
| От 10 до 100 л | От 2 до 10 л/мин | УИП4000HDT |
| От 15 до 150 л | От 3 до 15 л/мин | УИП6000HDT |
| н.а. | От 10 до 100 л/мин | УИП16000HDT |
| н.а. | больше | Кластер УИП16000HDT |
- Высокая эффективность
- Современные технологии
- надёжность & робастность
- Регулируемое, точное управление процессом
- партия & встроенный
- для любого объема
- Интеллектуальное программное обеспечение
- интеллектуальные функции (например, программируемые, протоколирование передачи данных, дистанционное управление)
- Простота и безопасность в эксплуатации
- Низкие эксплуатационные расходы
- CIP (безразборная мойка)
Проектирование, производство и консалтинг – Качество «Сделано в Германии»
Ультразвуковые аппараты Hielscher хорошо известны своими высочайшими стандартами качества и дизайна. Надежность и простота в эксплуатации позволяют без проблем интегрировать наши ультразвуковые аппараты в промышленные объекты. Ультразвуковые аппараты Hielscher легко справляются с суровыми условиями и требовательными условиями окружающей среды.
Hielscher Ultrasonics является компанией, сертифицированной по стандарту ISO, и уделяет особое внимание высокопроизводительным ультразвуковым аппаратам, отличающимся самыми современными технологиями и удобством в использовании. Конечно, ультразвуковые аппараты Hielscher соответствуют требованиям CE и соответствуют требованиям UL, CSA и RoHs.
Промышленный ультразвуковой аппарат UIP16000hdT для нанодисперсий с высокой пропускной способностью
Литература / Литература
- 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) представляет собой некристаллическую форму углерода толщиной в один атом, обычно синтезируемую с помощью химического осаждения из газовой фазы (CVD) или других методов тонкопленочного осаждения. В отличие от графена, который имеет хорошо упорядоченную гексагональную решетку, MAC не имеет дальнего атомного порядка, демонстрируя неупорядоченную, но однородную структуру на атомном уровне.
Что такое аморфный углерод?
Аморфный углерод (a-C) представляет собой некристаллический аллотроп углерода, характеризующийся отсутствием дальнего периодического атомного порядка. Он содержит смесь sp² (графитовых) и sp³ (алмазоподобных) гибридизированных атомов углерода, свойства которых варьируются в зависимости от метода осаждения и содержания водорода. Варианты включают гидрогенизированный аморфный углерод (a-C:H), тетраэдрический аморфный углерод (ta-C) и алмазоподобный углерод (DLC).
Доступен ли монослой аморфного углерода в больших количествах?
Нет, монослойный аморфный углерод не доступен в больших количествах из-за своей двумерной природы. Он синтезируется в виде ультратонкой пленки на подложках и не может быть произведен в больших отдельно стоящих объемных количествах, таких как графит или алмаз.
В чем разница между аморфным углеродом и кристаллическим углеродом?
Основное различие заключается в расположении атомов. Кристаллический углерод (например, графит, алмаз) имеет четко выраженную периодическую решетку, в то время как аморфный углерод лишен дальнего порядка. Это структурное различие влияет на электронные, механические и оптические свойства: кристаллические формы проявляют анизотропию и отчетливые зонные структуры, в то время как аморфный углерод обладает изотропными свойствами и переменной электропроводностью.
Каковы формы углерода?
Углерод существует в нескольких аллотропах, в том числе:
- Кристаллические формы: алмаз, графит, графен, углеродные нанотрубки (УНТ), 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 проявляет различные физико-химические свойства, необходимые для применения в материаловедении, электронике и накопителе энергии.
Hielscher Ultrasonics производит высокопроизводительные ультразвуковые гомогенизаторы от лаборатория Кому промышленного размера.