Ультразвуковое диспергирование графена
Чтобы включить графен в композиты, необходимо равномерно диспергировать или отшелушивать графен на отдельные нанолисты по всей формуле. Чем тщательнее графен деагломерирован, тем лучше могут быть использованы его исключительные свойства материала. Ультразвуковое диспергирование обеспечивает превосходное распределение частиц и стабильность диспергирования даже при высоких концентрациях и вязкости. Этот метод обеспечивает превосходное качество диспергирования, намного превосходящее традиционные методы смешивания.
Ультразвуковое диспергирование графена
Чтобы наделить композиты выдающимися характеристиками графена, такими как его прочность, графен должен быть равномерно диспергирован в матрице или нанесен на подложку в виде тонкопленочного покрытия. Ключевыми факторами, влияющими на свойства получаемого материала, являются агломерация, седиментация и дисперсия в матрице или распределение частиц на подложке.
Из-за гидрофобной природы графена создание стабильной и высококонцентрированной дисперсии без поверхностно-активных веществ или диспергаторов является сложной задачей. Преодоление сил Ван-дер-Ваальса требует сильных поперечных сил, которые могут быть эффективно созданы с помощью ультразвуковой кавитации. Этот метод является наиболее совершенным для приготовления стабильных дисперсий.
Промышленные ультразвуковые аппараты для высокопроизводительного диспергирования графена.
[/one_third_last]
Более подробную информацию и технические подробности о промышленных зондовых ультразвуковых аппаратах Hielscher для отшелушивания и диспергирования графена можно найти здесь:
- UIP1000hdT (мощность 1000 Вт УЗИ)
- UIP2000hdT (мощность УЗИ 2000 Вт)
- UIP4000hdT (мощность 4000 Вт ультразвуковая)
- UIP6000hdT (мощность 6000 Вт ультразвуковая)
- UIP16000hdT (мощность 16 000 Вт, ультразвуковая мощность)
Все ультразвуковые аппараты Hielscher позволяют точно контролировать все важные параметры процесса, технология ультразвукового диспергирования позволяет избежать повреждений химических и кристаллических структур графена – В результате получаются чистые, бездефектные графеновые чешуйки.
Мощные ультразвуковые аппараты Hielscher способны обрабатывать графен и графит в больших объемах, например, для вспучивания в жидкой фазе и диспергирования графена. Точный контроль параметров процесса позволяет бесшовно масштабировать ультразвуковые процессы от настольного до полномасштабного промышленного производства.
Ультразвуковой отслоенный малослойный графен с ок. 3-4 слоями и размером около 1 мкм может быть (повторно)диспергирован в концентрациях не менее 63 мг/мл.
СЭМ-изображения графеновых нанопластинок в точках (b) X3000 и (c) X8000
(Исследование и изображения: ©Ализаде и др., 2018)
- высококачественный графен
- Высокая пропускная способность / высокая производительность
- равномерная дисперсия
- высокая концентрация
- высокая вязкость
- Быстрый процесс
- низкая стоимость
- Высокоэффективный
- экологичность
Ультразвуковой реактор мощностью 7 кВт для графеновых дисперсий
Ультразвуковые гомогенизаторы и диспергаторы для графена
Hielscher Ultrasonics предлагает мощные ультразвуковые системы для отшелушивания и диспергирования объемно-слоистого графена и графита в моно-, би- и малослойный графен. Их надежные ультразвуковые процессоры и усовершенствованные реакторы обеспечивают необходимую мощность и точное управление для достижения конкретных технологических целей.
Одним из наиболее важных параметров процесса является ультразвуковая амплитуда, которая представляет собой колебательное смещение в ультразвуковом рупоре. Промышленные ультразвуковые аппараты Hielscher предназначены для обеспечения очень высоких амплитуд при длительной работе до 200 мкм. Для еще более высоких амплитуд доступны индивидуальные ультразвуковые преобразователи. Технологические параметры всех ультразвуковых аппаратов Hielscher могут быть точно отрегулированы в соответствии с требуемыми технологическими условиями и контролироваться с помощью встроенного программного обеспечения, что обеспечивает высокую надежность, стабильное качество и воспроизводимость результатов. Прочная конструкция ультразвуковых аппаратов Hielscher рассчитана на работу в режиме 24/7 в сложных условиях, что делает ультразвуковую обработку предпочтительной технологией для крупномасштабного производства одно- и малослойных графеновых нанолистов.
Hielscher предлагает широкий ассортимент ультразвуковых аппаратов и аксессуаров, включая сонотроды и реакторы различных размеров и геометрии. Это позволяет выбирать оптимальные условия реакции и факторы, такие как реагенты, подвод ультразвуковой энергии на объем, давление, температура и скорость потока, для достижения наивысшего качества. Их ультразвуковые реакторы могут работать под давлением до нескольких сотен бар изб., что делает возможным ультразвуковую обработку высоковязких паст (до 250 000 сантипуаз).
Благодаря этим возможностям ультразвуковое расслоение, отшелушивание и диспергирование превосходят традиционные методы измельчения и измельчения.
Ультразвуковые аппараты Hielscher являются самыми сложными ультразвуковыми гомогенизаторами на рынке. Воспользуйтесь многочисленными преимуществами, которые дают ультразвуковые аппараты Hielscher!
Графическая визуализация ультразвукового синтеза графеновых нанопластинок с помощью ультразвукового аппарата UP100H
(Исследование и графика: Ганем и Рехим, 2018)
Ультразвуковые аппараты Hielscher для графена:
- Ультразвук высокой мощности
- высокие поперечные силы
- Применение высоких давлений
- Точное управление
- Бесшовная масштабируемость (линейная)
- периодический и проточный
- воспроизводимые результаты
- надёжность
- робастность
- Высокая энергоэффективность
Факты, которые стоит знать
Что такое графен?
Графен представляет собой слой углерода толщиной в один атом, который можно описать как однослойную или двумерную структуру графена (однослойный графен = SLG). Графен обладает необычайно большой удельной поверхностью и превосходными механическими свойствами (модуль Юнга 1 ТПа и собственная прочность 130 ГПа), обеспечивает большую электронную и теплопроводность, подвижность носителей заряда, прозрачность и непроницаем для газов. Благодаря этим характеристикам материала графен используется в качестве армирующей добавки для придания композитам прочности, проводимости и т.д. Для того чтобы совместить характеристики графена с другими материалами, графен должен быть диспергирован в соединении или нанесен на подложку в виде тонкопленочного покрытия.
Распространенные растворители, которые часто используются в жидкой фазе для диспергирования графеновых нанолистов, включают диметилсульфоксид (ДМСО), N,N-диметилформамид (ДМФА), N-метил-2-пирролидон (NMP), тетраметилмочевину (ТМУ), тетрагидрофуран (ТГФ), пропиленкарбонатацетон (ПК), этанол и формамид.
Можно ли диспергировать графен в воде?
Да, графен можно диспергировать в воде с помощью поверхностно-активных веществ, полимеров или других стабилизирующих агентов для предотвращения агрегации и поддержания стабильности дисперсии. Надежное диспергирующее оборудование, такое как ультразвуковые аппараты зондового типа, также играет решающую роль в диспергировании графена, используя ультразвуковую энергию для разрушения агломератов и уменьшения размера частиц графена, способствуя более равномерному и стабильному диспергированию в жидкой среде.
Может ли оксид графена растворяться в воде?
Да, оксид графена может растворяться в воде благодаря содержащим его кислородсодержащим функциональным группам, которые повышают его гидрофильность и позволяют образовывать стабильные водные дисперсии.
Какой растворитель лучше всего диспергирует графен?
Лучшим растворителем для диспергирования графена является N-метил-2-пирролидон (NMP) из-за его высокой полярности и способности стабилизировать листы графена, что приводит к равномерному и стабильному диспергированию.
Почему графен нерастворим в воде?
Графен нерастворим в воде, потому что у него отсутствуют функциональные группы, которые могут взаимодействовать с молекулами воды, что делает его гидрофобным и склонным к агрегации из-за сильных ван-дер-ваальсовых сил между листами графена.
Почему графен используется в композитах?
Графен толщиной в один атом является самым тонким, с массой ок. 0,77 мг на 1 м2 самый легкий, с жесткостью на разрыв 150 000 000 фунтов на квадратный дюйм (в 100-300 раз прочнее стали) и прочностью на разрыв 130 000 000 000 Паскалей, самый прочный из известных материалов.
Кроме того, графен является лучшим проводником тепла (при комнатной температуре с (4,84±0,44) × 103 до (5.30±0.48) × 103 В·м-11· K-1) и лучший электрический проводник (подвижность электронов выше 15 000 см2· V-1·s-1).
Другой важной характеристикой графена являются его оптические свойства с поглощением света на уровне πα≈2,3% белого света, а также прозрачный внешний вид.
Благодаря включению графена в матрицы эти выдающиеся характеристики материала могут быть перенесены на полученный композит, который обладает уникальными функциональными возможностями. Такие композиты, армированные графеном, открывают новые возможности для разработки материалов и промышленного применения. Благодаря своим характеристикам графен и графеновые композиты уже широко распространены в производстве высокопроизводительных аккумуляторов, суперконденсаторов, проводящих чернил, покрытий, фотоэлектрических систем и электронных устройств
Ультразвуковые аппараты Hielscher обеспечивают необходимые высокие поперечные усилия для преодоления сил Ван-дер-Ваальса для равномерного распределения графеновых нанолистов в композитные матрицы. Ультразвуковые диспергаторы, такие как UIP2000hdT или UIP16000, используются для производства нанокомпозитов, армированных графеном и оксидом графена.
Литература/Литература
- 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 производит высокопроизводительные ультразвуковые гомогенизаторы от лаборатория Кому промышленного размера.