Ультразвуковое диспергирование графена
Для введения графена в композиты необходимо диспергировать или эксфолиировать его до отдельных нанолистов, равномерно распределённых по всему составу. Чем тщательнее проводится деагломерация графена, тем полнее можно использовать его выдающиеся свойства. Ультразвуковое диспергирование обеспечивает превосходное распределение частиц и стабильность дисперсии даже при высоких концентрациях и вязкости. Этот метод обеспечивает исключительное качество диспергирования, значительно превосходя традиционные методы смешивания.
Ультразвуковое диспергирование графена
Чтобы придать композитам выдающиеся характеристики графена, например его прочность, графен необходимо равномерно диспергировать в матрице или нанести на подложку в виде тонкоплёночного покрытия. Ключевые факторы, влияющие на свойства получаемого материала, включают агломерацию, седиментацию и диспергирование в матрице либо распределение частиц на подложке.
Из-за гидрофобной природы графена создание стабильной и высококонцентрированной дисперсии без поверхностно-активных веществ или диспергирующих агентов представляет собой сложную задачу. Для преодоления сил Ван-дер-Ваальса требуются большие силы сдвига, которые можно эффективно создавать посредством ультразвуковой кавитации. Этот метод является наиболее технологически совершенным способом приготовления стабильных дисперсий.
Промышленные устройства для обработки ультразвуком для высокопроизводительного диспергирования графена.
Используя ультразвуковой диспергатор, например устройство для обработки ультразвуком UIP2000hdT мощностью 2kW, UIP4000hdT мощностью 4kW, UIP6000hdT мощностью 6kW или UIP16000hdT мощностью 16kW, можно легко получить графен с высокой электропроводностью (712 S·m-1), хорошей дисперсностью и высокой концентрацией. Обработка ультразвуком также позволяет приготовить стабильную дисперсию графена при низкой температуре процесса, составляющей приблизительно 65°C.
Дополнительную информацию и технические сведения о промышленных зондовых устройствах Hielscher для обработки ультразвуком, предназначенных для эксфолиации и диспергирования графена, можно найти здесь:
- UIP1000hdT (мощный ультразвук, 1000 ватт)
- UIP2000hdT (мощный ультразвук, 2000 ватт)
- UIP4000hdT (мощный ультразвук, 4000 ватт)
- UIP6000hdT (мощный ультразвук, 6000 ватт)
- UIP16000hdT (мощный ультразвук, 16 000 ватт)
Все устройства Hielscher для обработки ультразвуком позволяют точно контролировать все важные параметры процесса; технология ультразвукового диспергирования предотвращает повреждение химической и кристаллической структуры графена – в результате получаются исходные, бездефектные чешуйки графена.
Мощные ультразвуковые устройства Hielscher способны обрабатывать графен и графит в больших объёмах, например при жидкофазной эксфолиации и диспергировании графена. Точный контроль параметров процесса позволяет беспрепятственно масштабировать ультразвуковые процессы от настольных установок до полномасштабного промышленного производства.
Малослойный графен, эксфолиированный ультразвуком, содержащий приблизительно 3–4 слоя и имеющий размер приблизительно 1μm, можно диспергировать, в том числе повторно, при концентрациях не менее 63 mg/mL.
Изображения нанопластинок графена, полученные методом сканирующей электронной микроскопии, при увеличении (b) X3000 и (c) X8000
(Исследование и изображения: ©Alizadeh et al., 2018)
- высококачественный графен
- высокая производительность / высокий выход
- равномерное диспергирование
- высокая концентрация
- высокая вязкость
- быстрый процесс
- низкая стоимость
- высокая эффективность
- экологичность
Ультразвуковой реактор мощностью 7kW для дисперсий графена
Ультразвуковые гомогенизаторы и диспергатор для графена
Hielscher Ultrasonics предлагает мощные ультразвуковые системы для эксфолиации и диспергирования объёмного слоистого графена и графита с получением однослойного, двухслойного и малослойного графена. Надёжные ультразвуковые процессоры и передовые реакторы компании обеспечивают необходимую мощность и точный контроль для достижения конкретных целей процесса.
Одним из наиболее важных параметров процесса является амплитуда ультразвука, представляющая собой колебательное смещение ультразвукового рупора. Промышленные ультразвуковые устройства Hielscher рассчитаны на обеспечение очень высоких амплитуд с непрерывной работой при амплитуде до 200µm. Для ещё более высоких амплитуд доступны ультразвуковые зонды, изготовленные по индивидуальным требованиям. Параметры процесса всех устройств Hielscher для обработки ультразвуком можно точно настроить в соответствии с требуемыми условиями процесса и контролировать посредством встроенного программного обеспечения, что обеспечивает высокую надёжность, стабильное качество и воспроизводимые результаты. Прочная конструкция устройств Hielscher для обработки ультразвуком рассчитана на работу в режиме 24/7 в сложных условиях, что делает обработку ультразвуком предпочтительной технологией для крупномасштабного производства однослойных и малослойных нанолистов графена.
Hielscher предлагает широкий ассортимент ультразвуковых устройств и принадлежностей, включая сонотроды и реакторы различных размеров и геометрии. Это позволяет выбирать оптимальные условия реакции и факторы, такие как реагенты, вводимая ультразвуковая энергия на единицу объёма, давление, температура и расход, для достижения наивысшего качества. Ультразвуковые реакторы компании могут работать под давлением до нескольких сотен barg, что позволяет обрабатывать ультразвуком высоковязкие пасты (до 250 000 сантипуаз).
Благодаря этим возможностям ультразвуковые деламинация, эксфолиация и диспергирование превосходят традиционные методы измельчения и помола.
Устройства Hielscher для обработки ультразвуком – наиболее технологически совершенные ультразвуковые гомогенизаторы на рынке. Воспользуйтесь многочисленными преимуществами устройств Hielscher для обработки ультразвуком!
Схема ультразвукового синтеза нанопластинок графена с использованием устройства для обработки ультразвуком UP100H
(Исследование и схема: Ghanem and Rehim, 2018)
Устройства Hielscher для обработки ультразвуком для графена:
- мощный ультразвук
- большие силы сдвига
- возможность применения высокого давления
- точный контроль
- беспрепятственное масштабирование (линейное)
- периодическая и проточная обработка
- воспроизводимые результаты
- надёжность
- прочность конструкции
- высокая энергоэффективность
Полезные сведения
Что такое графен?
Графен – это слой углерода толщиной в один атом, который можно описать как однослойную или 2D-структуру графена (однослойный графен = SLG). Графен обладает чрезвычайно большой удельной площадью поверхности и превосходными механическими свойствами (модуль Юнга 1 TPa и собственная прочность 130 GPa), высокой электрической и тепловой проводимостью, подвижностью носителей заряда, прозрачностью и непроницаемостью для газов. Благодаря этим свойствам графен используется как армирующая добавка для придания композитам его прочности, проводимости и т. д. Чтобы сочетать характеристики графена с другими материалами, графен необходимо диспергировать в составе или нанести на подложку в виде тонкоплёночного покрытия.
К распространённым растворителям, которые часто используются в качестве жидкой фазы для диспергирования нанолистов графена, относятся диметилсульфоксид (DMSO) , N,N-диметилформамид (DMF), N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), тетраметилмочевина (TMU, тетрагидрофуран (THF), «propylene carbonateacetone» (PC), этанол и формамид.
Можно ли диспергировать графен в воде?
Да, графен можно диспергировать в воде с использованием поверхностно-активных веществ, полимеров или других стабилизирующих агентов для предотвращения агрегации и поддержания стабильности дисперсии. Надёжное диспергирующее оборудование, например зондовые устройства для обработки ультразвуком, также играет ключевую роль в диспергировании графена: ультразвуковая энергия разрушает агломераты и уменьшает размер 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 кислород функциональным группам, которые повышают его гидрофильность и позволяют ему образовывать стабильные водные дисперсии.
Какой растворитель лучше всего подходит для диспергирования графена?
Лучшим растворителем для диспергирования графена является N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) благодаря его высокой полярности и способности стабилизировать листы графена, обеспечивая равномерную и стабильную дисперсию.
Почему графен нерастворим в воде?
Графен нерастворим в воде, поскольку у него отсутствуют функциональные группы, способные взаимодействовать с молекулами воды, что делает его гидрофобным и склонным к агрегации из-за сильных сил Ван-дер-Ваальса между листами графена.
Почему графен используется в композитах?
Графен при толщине в один атом является самым тонким, при массе приблизительно 0,77 mg на 1m2 – самым лёгким, а при жёсткости на растяжение 150 000 000 psi (в 100–300 раз прочнее стали) и прочности на растяжение 130 000 000 000 паскалей – самым прочным из известных материалов.
Кроме того, графен является лучшим проводником тепла (при комнатной температуре с теплопроводностью от (4,84±0,44) × 103 до (5,30±0,48) × 103 W·m-11·K-1) и лучшим проводником электричества (подвижность электронов выше 15 000 cm2·V-1·s-1).
Ещё одной важной характеристикой графена являются его оптические свойства: поглощение белого света на уровне πα≈2,3% и прозрачность.
При введении графена в матрицы эти выдающиеся свойства материала могут передаваться получаемому композиту, обеспечивая уникальные функциональные возможности. Такие композиты, армированные графеном, открывают новые возможности для разработки материалов и промышленного применения. Благодаря своим характеристикам графен и графеновые композиты уже широко используются при производстве высокоэффективных аккумуляторов, суперконденсаторов, проводящих чернил, покрытий, фотоэлектрических систем и электронных устройств
Устройства Hielscher для обработки ультразвуком обеспечивают необходимые большие силы сдвига для преодоления сил Ван-дер-Ваальса и равномерного распределения нанолистов графена в композитных матрицах. Ультразвуковые диспергаторы, такие как UIP2000hdT или UIP16000, используются для производства нанокомпозитов, армированных графеном и оксидом графена.
Литература/Источники
- 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 лабораторных до промышленных размеров.