Ultrazvuková dispergácia grafénu

Na začlenenie grafénu do kompozitov je nevyhnutné grafén dispergovať alebo exfoliovať na jednotlivé nanolisty rovnomerne v celom zložení. Čím dôkladnejšie sa grafén deaglomeruje, tým lepšie možno využiť jeho mimoriadne materiálové vlastnosti. Ultrazvuková dispergácia poskytuje vynikajúce rozloženie častíc a stabilitu disperzie aj pri vysokých koncentráciách a viskozitách. Táto metóda zabezpečuje výnimočnú kvalitu disperzie, ktorá výrazne prekonáva konvenčné techniky miešania.

Ultrazvuková dispergácia grafénu

Aby kompozity získali vynikajúce vlastnosti grafénu, ako je jeho pevnosť, musí byť grafén rovnomerne dispergovaný v matrici alebo nanesený na substrát ako tenkovrstvový povlak. Medzi kľúčové faktory ovplyvňujúce výsledné materiálové vlastnosti patria aglomerácia, sedimentácia a dispergácia v matrici alebo rozloženie častíc na substráte.
Vzhľadom na hydrofóbnu povahu grafénu je vytvorenie stabilnej a vysoko koncentrovanej disperzie bez tenzidov alebo dispergačných činidiel náročné. Prekonanie van der Waalsových síl vyžaduje silné šmykové sily, ktoré možno účinne vytvárať ultrazvukovou kavitáciou. Táto metóda je najpokročilejšou metódou prípravy stabilných disperzií.

MultiSonoReactor MSR-5 vybavený 5x 4kW sonikátormi na spracovanie grafénu s vysokou spracovateľskou kapacitou

Priemyselné sonikátory na dispergáciu grafénu s vysokou kapacitou spracovania.

Naučte sa vyrábať vysokokvalitný jednovrstvový grafén ultrazvukovou exfoliáciou pomocou vysokovýkonných sondových sonikátorov. Sonikácia je jednoduchá, účinná a škálovateľná metóda výroby grafénových disperzií s vysokou výťažnosťou a vynikajúcou kvalitou vrstiev.

Pomocou ultrazvukového dispergátora, ako je 2kW sonikátor UIP2000hdT, 4kW sonikátor UIP4000hdT, 6kW sonikátor UIP6000hdT alebo 16kW sonikátor UIP16000hdT, možno jednoducho pripraviť grafén s vysokou elektrickou vodivosťou (712 S·m-1), dobrou disperzitou a vysokou koncentráciou. Sonikácia umožňuje aj prípravu stabilnej disperzie grafénu pri nízkej procesnej teplote približne 65°C.

Ďalšie informácie a technické podrobnosti o priemyselných sondových sonikátoroch Hielscher na exfoliáciu a dispergáciu grafénu nájdete tu:

Všetky sonikátory Hielscher umožňujú presné riadenie všetkých dôležitých procesných parametrov, pričom technológia ultrazvukovej dispergácie zabraňuje poškodeniu chemickej a kryštálovej štruktúry grafénu – výsledkom sú neporušené grafénové vločky bez defektov.
Výkonné ultrazvukové zariadenia Hielscher dokážu spracovávať grafén a grafit vo veľkých objemoch, napr. pri exfoliácii v kvapalnej fáze a dispergácii grafénu. Presné riadenie procesných parametrov umožňuje plynulé zväčšovanie rozsahu ultrazvukových procesov od stolových zariadení až po plnú komerčnú výrobu.
Ultrazvukovo exfoliovaný niekoľkovrstvový grafén s približne 3–4 vrstvami a veľkosťou približne 1μm možno (opätovne) dispergovať pri koncentráciách najmenej 63 mg/mL.

Grafénové nanodoštičky možno úspešne syntetizovať a dispergovať ultrazvukovým spracovaním.

Snímky grafénových nanodoštičiek zo SEM pri zväčšení (b) X3000 a (c) X8000
(Štúdia a snímky: ©Alizadeh et al., 2018)

Výhody:

vysokokvalitný grafén
vysoká kapacita spracovania / vysoké výťažky
rovnomerná disperzia
vysoká koncentrácia
vysoké viskozity
rýchly proces
nízke náklady
vysoká účinnosť
šetrnosť k životnému prostrediu

Vysokovýkonný ultrazvukový dispergačný systém (7x UIP1000hdT) na spracovanie grafénu v priemyselnom meradle. (Kliknutím zväčšíte!)

7kW ultrazvukový reaktor na disperzie grafénu

Ultrazvukové homogenizátory a dispergátor na grafén

Hielscher Ultrasonics poskytuje vysokovýkonné ultrazvukové systémy na exfoliáciu a dispergovanie objemového vrstevnatého grafénu a grafitu na jednovrstvový, dvojvrstvový a niekoľkovrstvový grafén. Spoľahlivé ultrazvukové procesory a pokročilé reaktory tejto spoločnosti poskytujú potrebný výkon a presné riadenie na dosiahnutie konkrétnych cieľov procesu.

Jedným z najdôležitejších parametrov procesu je amplitúda ultrazvuku, ktorá predstavuje výchylku kmitania na sonotróde. Priemyselné ultrazvukové zariadenia Hielscher sú navrhnuté tak, aby dosahovali veľmi vysoké amplitúdy, pričom umožňujú nepretržitú prevádzku pri amplitúdach až 200µm. Na dosiahnutie ešte vyšších amplitúd sú k dispozícii ultrazvukové sondy vyrobené na mieru. Parametre procesu všetkých sonikátorov Hielscher možno presne prispôsobiť požadovaným procesným podmienkam a monitorovať pomocou zabudovaného softvéru, čím sa zabezpečuje vysoká spoľahlivosť, stála kvalita a reprodukovateľné výsledky. Robustná konštrukcia sonikátorov Hielscher je navrhnutá na prevádzku 24/7 v náročných prostrediach, vďaka čomu je sonikácia preferovanou technológiou na veľkoobjemovú výrobu jednovrstvových a niekoľkovrstvových grafénových nanolistov.

Hielscher ponúka široký sortiment ultrazvukových zariadení a príslušenstva vrátane sonotród a reaktorov rôznych veľkostí a geometrií. To umožňuje zvoliť optimálne reakčné podmienky a faktory, ako sú reagencie, prívod ultrazvukovej energie na jednotku objemu, tlak, teplota a prietok, na dosiahnutie najvyššej kvality. Ultrazvukové reaktory tejto spoločnosti možno natlakovať až na niekoľko stoviek barg, čo umožňuje sonikáciu vysoko viskóznych pást (až 250 000 centipoise).

Vďaka týmto možnostiam ultrazvuková delaminácia, exfoliácia a dispergovanie prevyšujú konvenčné techniky drvenia a mletia.

Najlepšie sonikátory vyrába spoločnosť Hielscher Ultrasonics. Vynikajú výkonom, najmodernejšou technológiou a spoľahlivosťou.

Sonikátory Hielscher sú najsofistikovanejšie ultrazvukové homogenizátory na trhu. Využite početné výhody, ktoré sonikátory Hielscher prinášajú!

Exfoliáciou grafitu pomocou sondového sonikátora UP100H sa získali grafénové nanodoštičky bez defektov

Grafické znázornenie ultrazvukovej syntézy grafénových nanodoštičiek pomocou sonikátora UP100H
(Štúdia a grafika: Ghanem a Rehim, 2018)

Sonikátory Hielscher na spracovanie grafénu:

vysokovýkonný ultrazvuk
vysoké šmykové sily
možnosť použitia vysokých tlakov
presné riadenie
plynulé škálovanie (lineárne)
vsádzkové a prietokové spracovanie
reprodukovateľné výsledky
spoľahlivosť
robustnosť
vysoká energetická účinnosť

Súvisiace témy

Užitočné fakty

Čo je grafén?

Grafén je vrstva uhlíka s hrúbkou jedného atómu, ktorú možno opísať ako jednovrstvovú alebo 2D štruktúru grafénu (jednovrstvový grafén = SLG). Grafén má mimoriadne veľký merný povrch a vynikajúce mechanické vlastnosti (Youngov modul 1 TPa a vlastnú pevnosť 130 GPa), poskytuje vysokú elektrickú a tepelnú vodivosť, vysokú pohyblivosť nosičov náboja, priehľadnosť a je nepriepustný pre plyny. Vďaka týmto materiálovým vlastnostiam sa grafén používa ako vystužujúca prísada, ktorá kompozitom dodáva jeho pevnosť, vodivosť atď. Na spojenie vlastností grafénu s inými materiálmi sa grafén musí dispergovať do zmesi alebo sa nanáša ako tenkovrstvový povlak na substrát.
Medzi bežné rozpúšťadlá, ktoré sa často používajú ako kvapalná fáza na dispergovanie grafénových nanolistov, patria dimetylsulfoxid (DMSO) , N,N-dimetylformamid (DMF), N-metyl-2-pyrolidón (NMP), tetrametylmočovina (TMU, tetrahydrofurán (THF), propylene carbonateacetone (PC), etanol a formamid.

Možno grafén dispergovať vo vode?

Áno, grafén možno dispergovať vo vode pomocou povrchovo aktívnych látok, polymérov alebo iných stabilizačných činidiel, ktoré zabraňujú agregácii a udržiavajú stabilitu disperzie. Spoľahlivé dispergačné zariadenia, ako sú sondové sonikátory, zohrávajú pri dispergovaní grafénu tiež kľúčovú úlohu tým, že využívajú ultrazvukovú energiu na rozrušovanie aglomerátov a zmenšovanie grafénových častíc, čím podporujú rovnomernejšiu a stabilnejšiu disperziu v kvapalnom prostredí.

Môže sa oxid grafénu rozpúšťať vo vode?

Áno, oxid grafénu sa môže rozpúšťať vo vode vďaka svojim funkčným skupinám obsahujúcim kyslík, ktoré zvyšujú jeho hydrofilnosť a umožňujú mu vytvárať stabilné vodné disperzie.

Aké je najlepšie rozpúšťadlo na dispergovanie grafénu?

Najlepším rozpúšťadlom na dispergovanie grafénu je N-metyl-2-pyrolidón (NMP) vďaka jeho vysokej polarite a schopnosti stabilizovať grafénové vrstvy, čím vzniká rovnomerná a stabilná disperzia.

Prečo je grafén nerozpustný vo vode?

Grafén je nerozpustný vo vode, pretože nemá funkčné skupiny, ktoré by mohli interagovať s molekulami vody, čo spôsobuje jeho hydrofóbnosť a náchylnosť na agregáciu v dôsledku silných van der Waalsových síl medzi grafénovými vrstvami.

Prečo sa grafén používa v kompozitoch?

Grafén je pri hrúbke jedného atómu najtenší, pri hmotnosti približne 0,77 mg na 1m² najľahší a pri tuhosti v ťahu 150 000 000 psi (100–300-krát pevnejší ako oceľ) a pevnosti v ťahu 130 000 000 000 pascalov najpevnejší známy materiál.
Grafén je navyše najlepším tepelným vodičom (pri izbovej teplote s tepelnou vodivosťou (4,84±0,44) × 10³ až (5,30±0,48) × 10³ W·m^-11·K^-1) a najlepším elektrickým vodičom (s pohyblivosťou elektrónov vyššou ako 15 000 cm²·V^-1·s^-1).
Ďalšou dôležitou charakteristikou grafénu sú jeho optické vlastnosti: absorpcia bieleho svetla na úrovni πα≈2,3% a priehľadný vzhľad.
Začlenením grafénu do matríc možno tieto výnimočné materiálové vlastnosti preniesť na výsledný kompozit, ktorý ponúka jedinečné funkčné vlastnosti. Takéto kompozity vystužené grafénom ponúkajú nové možnosti vývoja materiálov a priemyselného využitia. Vďaka svojim vlastnostiam sa grafén a grafénové kompozity už vo veľkej miere používajú pri výrobe vysokovýkonných batérií, superkondenzátorov, vodivých atramentov, povlakov, fotovoltických systémov a elektronických zariadení
Sonikátory Hielscher poskytujú požadované vysoké šmykové sily na prekonanie van der Waalsových síl, aby sa grafénové nanovrstvy rovnomerne rozptýlili v kompozitných matriciach. Ultrazvukové dispergátory, ako sú UIP2000hdT alebo UIP16000, sa používajú na výrobu nanokompozitov vystužených grafénom a oxidom grafénu.

Literatúra/Referencie

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.

Vysokovýkonná ultrazvuková technika! Sortiment výrobkov Hielscher pokrýva celé spektrum od kompaktného laboratórneho ultrazvukového prístroja cez stolové jednotky až po plne priemyselné ultrazvukové systémy.

Hielscher Ultrasonics vyrába vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory od laboratórnych veľkostí až po priemyselné veľkosti.

Ultrazvuková dispergácia grafénu