Grafen oksid – Ultrazvočni piling in disperzija
Grafen oksid je topen v vodi, amfifilen, netoksičen, biorazgradljiv in se lahko zlahka razprši v stabilne koloide. Ultrazvočni piling in disperzija je zelo učinkovita, hitra in stroškovno učinkovita metoda za sintezo, razprševanje in funkcionalizacijo grafen oksida v industrijskem obsegu. Pri nadaljnji obdelavi ultrazvočni dispergatorji proizvajajo visoko zmogljive grafen-oksid-polimerne kompozite.
Ultrazvočni piling grafenskega oksida
Za nadzor velikosti nanolistov grafen oksida (GO) ima metoda pilinga ključni dejavnik. Zaradi natančno nadzorovanih procesnih parametrov je ultrazvočni piling najbolj razširjena tehnika delaminacije za proizvodnjo visoko kakovostnega grafena in grafen oksida.
Za ultrazvočno piling grafen oksida iz grafitnega oksida so na voljo različni protokoli. Spodaj poiščite en zgledni opis:
Prašek grafitnega oksida se zmeša v vodni KOH s pH vrednostjo 10. Za piling in kasnejšo disperzijo se uporablja ultrazvočni aparat sonde UP200St (200W). Nato se ioni K+ pritrdijo na bazalno ravnino grafena, da sprožijo proces staranja. Staranje se doseže z rotacijskim izhlapevanjem (2 uri). Da bi odstranili odvečne ione K+, prašek večkrat speremo in centrifugiramo.
Dobljena zmes se centrifugira in liofilizira, tako da se obori disperzibilni prah grafen oksida.
Priprava prevodne paste iz grafen oksida: Prašek grafen oksida se lahko dispergira v dimetilformamidu (DMF) pod ultrazvočnim razbijanjem, da se proizvede prevodna pasta. (Han et al.2014)
Grafen oksid – Piling (Slika: Potts et al. 2011)
Ultrazvočna disperzija grafenskega oksida
Ultrazvočna funkcionalizacija grafenskega oksida
Sonication se uspešno uporablja za vključitev grafen oksida (GO) v polimere in kompozite.
Primeri:
- grafen oksid-TiO2 mikrosferni kompozit
- Kompozit polistiren-magnetit-grafen oksid (struktura jedro-lupina)
- polistirenski reducirani kompoziti grafen oksida
- polianilin, prevlečen z nanovlakni, polianilin, polistiren/grafen oksid (PANI-PS/GO) jedrni kompozit
- polistirenski interkalirani grafen oksid
- P-fenilendiamin-4vinilbenzen-polistiren, modificiran grafen oksid
Ultrazvočni sistem za piling grafenskega oksida
Sonikatorji za obdelavo grafena in grafenskega oksida
Hielscher Ultrasonics ponuja ultrazvočne sisteme visoke moči za piling, disperzijo in nadaljnjo obdelavo grafena in grafen oksida. Zanesljivi ultrazvočni procesorji in sofisticirani reaktorji zagotavljajo potrebno moč, procesne pogoje in natančen nadzor, tako da se lahko rezultati ultrazvočnega procesa natančno prilagodijo želenim ciljem procesa.
Eden najpomembnejših procesnih parametrov je ultrazvočna amplituda, ki je vibracijsko širjenje in krčenje na ultrazvočni sondi. Hielscherjeva Industrijski ultrazvočni sistemi so zgrajeni tako, da zagotavljajo zelo visoke amplitude. Amplitude do 200 μm se lahko enostavno neprekinjeno izvajajo v 24/7 delovanju. Za še višje amplitude Hielscher ponuja prilagojene ultrazvočne sonde. Vse naše ultrazvočne procesorje je mogoče natančno prilagoditi zahtevanim procesnim pogojem in jih enostavno spremljati z vgrajeno programsko opremo. To zagotavlja najvišjo zanesljivost, dosledno kakovost in ponovljive rezultate. Robustnost Hielscher sonicatorjev omogoča 24/7 delovanje pri težkih obremenitvah in v zahtevnih okoljih. Zaradi tega je ultrazvočna tehnologija najprimernejša proizvodna tehnologija za obsežno pripravo grafena, grafen oksida in grafitnih materialov.
Ponujajo široko paleto ultrazvočnih aparatov in dodatkov (kot so sonotrode in reaktorji različnih velikosti in geometrij), lahko izberejo najprimernejše reakcijske pogoje in dejavnike (npr. Reagenti, ultrazvočni vnos energije na prostornino, tlak, temperatura, pretok itd.), Da se doseže najvišja kakovost. Ker so naši ultrazvočni reaktorji lahko pod tlakom do več sto bargov, ultrazvočna razbijanje visoko viskoznih past z do 250.000 centipoise ni problem za Hielschers ultrazvočne sisteme.
Zaradi teh dejavnikov ultrazvočna delaminacija / piling in razprševanje odstopa od običajnih tehnik mešanja in mletja.
- visoka moč
- visoke strižne sile
- Uporabljajo se visoki tlaki
- natančen nadzor
- Brezhibna razširljivost (linearno)
- šaržni in neprekinjeni
- ponovljivi rezultati
- Zanesljivost
- Robustnosti
- visoka energetska učinkovitost
Če želite izvedeti več o ultrazvočni sintezi, disperziji in funkcionalizaciji grafena, kliknite tukaj:
- Proizvodnja grafena
- Grafenske nanoploščice
- Piling grafena na vodni osnovi
- Grafen, ki se dispergira v vodi
- Grafen oksid
- Xenes
Dejstva, ki jih je vredno vedeti
Ultrazvok in kavitacija: Kako se grafit lušči v grafen oksid pod ultrazvočno razbijanjem
Ultrazvočni piling grafitnega oksida (GrO) temelji na visoki strižni sili, ki jo povzroča akustična kavitacija. Akustična kavitacija nastane zaradi izmeničnih visokotlačnih / nizkotlačnih ciklov, ki nastanejo s spajanjem močnih ultrazvočnih valov v tekočini. Med nizkotlačnimi cikli se pojavijo zelo majhne praznine ali vakuumski mehurčki, ki rastejo v izmeničnih nizkotlačnih ciklih. Ko vakuumski mehurčki dosežejo velikost, da ne morejo absorbirati več energije, se med ciklom visokega tlaka silovito zrušijo. Implozija mehurčkov povzroči kavitacijske strižne sile in napetostne valove, ekstremno temperaturo do 6000 K, ekstremne hitrosti hlajenja nad 1010K/s, zelo visoki tlaki do 2000 atm, ekstremne razlike v tlaku in tekočinski curki do 1000 km/h (∼280 m/s).
Te intenzivne sile vplivajo na grafitne sklade, ki se razslojijo v eno- ali večplastne grafen oksid in nedotaknjene grafenske nanoplošče.
Grafen oksid
Grafen oksid (GO) se sintetizira s pilingom grafitnega oksida (GrO). Medtem ko je grafitni oksid 3D material, sestavljen iz milijonov plasti grafenskih plasti z interkaliranimi kisiki, je grafenski oksid eno- ali večplastni grafen, ki je oksigeniran na obeh straneh.
Grafen oksid in grafen se med seboj razlikujeta po naslednjih značilnostih: grafen oksid je polaren, grafen pa nepolaren. Grafen oksid je hidrofilen, medtem ko je grafen hidrofoben.
To pomeni, da je grafen oksid topen v vodi, amfifilen, netoksičen, biološko razgradljiv in tvori stabilne koloidne suspenzije. Površina grafen oksida vsebuje epoksi, hidroksilne in karboksilne skupine, ki so na voljo za interakcijo s kationi in anioni. Zaradi svoje edinstvene organsko-anorganske hibridne strukture in izjemnih lastnosti GO-polimerni kompoziti ponujajo velik potencial za različne industrijske aplikacije. (Tolasz et al. 2014)
reduciran grafen oksid
Reducirani grafen oksid (rGO) nastaja z ultrazvočno, kemično ali toplotno redukcijo grafen oksida. Med redukcijskim korakom se odstrani večina kisikovih funkcionalnosti grafen oksida, tako da ima nastali reducirani grafen oksid (rGO) zelo podobne lastnosti kot nedotaknjen grafen. Vendar pa reducirani grafen oksid (rGO) ni brez napak in nedotaknjen kot čisti grafen.
Literatura/Reference
- FactSheet: Ultrasonic Graphene Exfoliation and Dispersion – Hielscher Ultrasonics – english version
- FactSheet: Exfoliación y Dispersión de Grafeno por Ultrasonidos – Hielscher Ultrasonics – spanish version
- Gouvea R.A., Konrath Jr L.G., Cava S., Carreno N.L.V., Goncalves M.R.F. (2011): Synthesis of nanometric graphene oxide and its effects when added in MgAl2O4 ceramic. 10th SPBMat Brazil.
- Kamisan A.I., Zainuddin L.W., Kamisan A.S., Kudin T.I.T., Hassan O.H., Abdul Halim N., Yahya M.Z.A. (2016): Ultrasonic Assisted Synthesis of Reduced Graphene Oxide in Glucose Solution. Key Engineering Materials Vol. 708, 2016. 25-29.
- Štengl V., Henych J., Slušná M., Ecorchard P. (2014): Ultrasound exfoliation of inorganic analogues of graphene. Nanoscale Research Letters 9(1), 2014.
- Štengl, V. (2012): Preparation of Graphene by Using an Intense Cavitation Field in a Pressurized Ultrasonic Reactor. Chemistry – A European Journal 18(44), 2012. 14047-14054.
- Tolasz J., Štengl V., Ecorchard P. (2014): The Preparation of Composite Material of Graphene Oxide–Polystyrene. 3rd International Conference on Environment, Chemistry and Biology IPCBEE vol.78, 2014.
- Potts J. R., Dreyer D. R., Bielawski Ch. W., Ruoff R.S (2011): Graphene-based polymer nanocomposites. Polymer Vol. 52, Issue 1, 2011. 5–25.