Ultrazvočno dispergiranje enoslojnega amorfnega ogljika (MAC) v tekočinah

Enoslojni amorfni ogljik (MAC) je nov nanomaterial na osnovi ogljika z izjemno mehansko trdnostjo, prožnostjo in prevodnostjo. Njegovo vključevanje v tekoče matrice je ključno za uporabo v visokozmogljivih kompozitih, shranjevanju energije, premazih in elektronskih materialih. Vendar je doseganje enakomerne in stabilne disperzije MAC zahtevno zaradi njegovih močnih van der Waalsovih interakcij in nagnjenosti k agregaciji. Ultrazvočno dispergiranje z uporabo sonikatorjev Hielscher s sondo zagotavlja razširljivo in zelo učinkovito rešitev za razbijanje skupkov MAC in zagotavljanje homogene porazdelitve v tekočih fazah.

Izzivi pri dispergiranju MAC

Zaradi svoje izjemno tanke strukture in visoke površinske energije se MAC ob vnosu v tekoči medij naravno združuje v večslojne sklade. Običajne metode mešanja ali strižne obdelave pogosto ne uspejo učinkovito dispergirati MAC, kar povzroča:

Slabo homogenost kompozitnih materialov
Slabše mehanske lastnosti zaradi aglomeracije
Omejeno razširljivost procesa

Ultrazvočna kavitacija ponuja učinkovito in razširljivo tehniko, ki ne povzroča poškodb, za pridobivanje dispergiranega enoslojnega MAC v različnih topilih, polimernih matricah in reaktivnih formulacijah.

Ultrazvočno dispergiranje: mehanizem in prednosti

Ultrazvočne naprave s sondo v tekočinah ustvarjajo intenzivno akustično kavitacijo, ki povzroča lokalizirane velike strižne sile, mikrocurke in udarne valove. Ti ekstremni pogoji učinkovito razbijajo agregate MAC, razpletajo nanoploščice in jih enakomerno porazdelijo. Ključne prednosti ultrazvočnega dispergiranja vključujejo:

Učinkovita eksfoliacija: Pretvori večslojni MAC v enoslojne plasti
Visoka stabilnost: Preprečuje ponovno agregacijo z optimizacijo interakcij med površinsko aktivnimi snovmi in topili
Razširljivost procesa: Primerno za raziskave v laboratorijskem merilu, pilotno proizvodnjo in industrijsko proizvodnjo v polnem obsegu
Nadzorovana obdelava: Nastavljivi parametri (amplituda, čas, tlak, temperatura) omogočajo optimizacijo za posamezne načine uporabe

Sonikatorji Hielscher s sondo: razširljive rešitve za dispergiranje MAC

Hielscher Ultrasonics zagotavlja najsodobnejše ultrazvočne procesorje za vse obsege dispergiranja MAC, od majhnih laboratorijskih vzorcev do obsežnih industrijskih procesov v pretočnem načinu. Njihovi modularni sistemi, ki jih je mogoče prilagoditi, ponujajo neprimerljivo natančnost in učinkovitost.

Videoposnetek prikazuje ultrazvočno mešanje in dispergiranje grafita v 250mL epoksidne smole (Toolcraft L) z ultrazvočnim homogenizatorjem (UP400St, Hielscher Ultrasonics). Hielscher Ultrasonics izdeluje opremo za dispergiranje grafita, grafena, ogljikovih nanocevk, nanožic ali polnil v laboratoriju ali v proizvodnih procesih z velikim obsegom. Značilna področja uporabe so dispergiranje nanomaterialov in mikromaterialov med funkcionalizacijo ter njihovo dispergiranje v smole ali polimere.

Dispergiranje MAC v laboratorijskem merilu

Za raziskave in razvoj modela sonikatorjev Hielscher UP200Ht (200W) in UP400St (400W) zagotavljata natančen nadzor parametrov dispergiranja. Ti ultrazvočni napravi omogočata:

Obdelavo majhnih šarž za hitre študije izvedljivosti
Optimizacijo parametrov za določitev idealne amplitude in trajanja obdelave
Ponovljivost za izpopolnjevanje formulacij

Pilotna proizvodnja in proizvodnja v srednjem obsegu

Za proizvodnjo v pilotnem merilu ali manjšo industrijsko proizvodnjo UIP1000hdT (1kW) in UIP2000hdT (2kW) ponujata večjo moč ob ohranjanju natančno nastavljivega nadzora kakovosti dispergiranja. Njune značilnosti vključujejo:

Neprekinjeno obdelavo za večjo zmogljivost obdelave
Reaktorje s pretočnimi celicami, ki omogočajo dispergiranje v pretočnem načinu
Pretočne celice, v katerih je mogoče vzpostaviti tlak, omogočajo obdelavo pri povišanem tlaku

Dispergiranje v pretočnem načinu v industrijskem merilu

Za dispergiranje velikih količin MAC serije naprav Hielscher UIP4000hdT, UIP6000hdT in UIP16000hdT (4kW–16kW na enoto) omogočajo neprekinjeno dispergiranje v pretočnem načinu ter zagotavljajo učinkovitost in ponovljivost na industrijski ravni. Prednosti vključujejo:

Visoka zmogljivost obdelave: Zasnovano za proizvodnjo kompozitov in premazov v velikem obsegu
Razširljiva modularna zasnova: Več enot lahko deluje vzporedno
Avtomatizacija procesa: Integracija s senzorji in krmilnimi sistemi za spremljanje v realnem času

Kako dosežem optimalno dispergiranje enoslojnega amorfnega ogljika?

Za doseganje najvišje kakovosti dispergiranja je treba optimizirati ključne parametre obdelave:

Amplituda: večje amplitude zagotavljajo močnejšo kavitacijo, kar pripomore k eksfoliaciji

Čas obdelave: daljše trajanje sonikacije lahko izboljša dispergiranje, vendar ga je treba nadzorovati, da se prepreči razgradnja materiala

Izbira topila: ustrezna izbira topila izboljša stabilnost in disperzibilnost MAC

Površinsko aktivne snovi/stabilizatorji: polimeri, površinsko aktivne snovi ali funkcionalni dodatki lahko dodatno izboljšajo stabilnost disperzije MAC

Ultrazvočno dispergiranje z uporabo sonikatorjev Hielscher s sondo je preizkušena, razširljiva in zelo učinkovita tehnika za obdelavo enoslojnega amorfnega ogljika v tekočinah. Tako v majhnem laboratorijskem merilu kot pri industrijski proizvodnji v polnem obsegu sonikatorji Hielscher zagotavljajo homogene, stabilne disperzije in omogočajo izkoriščanje celotnega potenciala enoslojnega amorfnega ogljika (MAC) za visokozmogljive kompozite naslednje generacije, prevodne premaze in izdelke, izboljšane z nanomateriali.

Spodnja tabela prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih naprav:

Prostornina šarže	Pretok	Priporočene naprave
0,5 do 1,5mL	n.a.	VialTweeter
1 do 500mL	10 do 200mL/min	UP100H
10 do 2000mL	20 do 400mL/min	UP200Ht, UP400St
0,1 do 20L	0,2 do 4L/min	UIP2000hdT
10 do 100L	2 do 10L/min	UIP4000hdT
15 do 150L	3 do 15L/min	UIP6000hdT
n.a.	10 do 100L/min	UIP16000hdT
n.a.	večji	sklop naprav UIP16000hdT

Zakaj Hielscher Ultrasonics?

visoka učinkovitost
najsodobnejša tehnologija
zanesljivost in robustnost
nastavljiv, natančen nadzor procesa
šaržno in pretočno delovanje
za katero koli prostornino
inteligentna programska oprema
pametne funkcije (npr. možnost programiranja, beleženje podatkov, daljinsko upravljanje)
preprosto in varno upravljanje
malo vzdrževanja
CIP (čiščenje na mestu)

Načrtovanje, proizvodnja in svetovanje – kakovost iz Nemčije

Ultrazvočne naprave Hielscher so dobro znane po najvišjih standardih kakovosti in zasnove. Robustnost in preprosto upravljanje omogočata nemoteno vključevanje naših ultrazvočnih naprav v industrijske obrate. Ultrazvočne naprave Hielscher zlahka obvladujejo težke pogoje in zahtevna okolja.

Hielscher Ultrasonics je podjetje s certifikatom ISO in daje poseben poudarek visokozmogljivim ultrazvočnim napravam z najsodobnejšo tehnologijo in prijaznostjo do uporabnika. Ultrazvočne naprave Hielscher so seveda skladne z zahtevami CE in izpolnjujejo zahteve UL, CSA in RoHs.

Sorodne teme

Literatura / reference

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.

Pogosto zastavljena vprašanja

Kaj je enoslojni amorfni ogljik?

Enoslojni amorfni ogljik (MAC) je nekristalinična oblika ogljika z debelino enega atoma, ki se običajno sintetizira s kemijskim naparjevanjem (CVD) ali drugimi tehnikami nanašanja tankih plasti. Za razliko od grafena, ki ima dobro urejeno heksagonalno mrežo, MAC nima atomske urejenosti dolgega dosega in ima na atomski ravni neurejeno, vendar enakomerno strukturo.

Kaj je amorfni ogljik?

Amorfni ogljik (a-C) je nekristalinična alotropska oblika ogljika, za katero je značilna odsotnost periodične atomske urejenosti dolgega dosega. Vsebuje mešanico ogljikovih atomov s hibridizacijo sp² (grafitno) in sp³ (diamantu podobno), njegove lastnosti pa se razlikujejo glede na metodo nanašanja in vsebnost vodika. Različice vključujejo hidrogenirani amorfni ogljik (a-C:H), tetraedrični amorfni ogljik (ta-C) in diamantu podobni ogljik (DLC).

Ali je enoslojni amorfni ogljik na voljo v masivni obliki?

Ne, enoslojni amorfni ogljik zaradi svoje dvodimenzionalne narave ni na voljo v masivni obliki. Sintetizira se kot izjemno tanek film na podlagah in ga ni mogoče proizvajati v velikih količinah samonosnega masivnega materiala, kot sta grafit ali diamant.

Kakšna je razlika med amorfnim ogljikom in kristaliničnim ogljikom?

Glavna razlika je v razporeditvi atomov. Kristalinični ogljik (npr. grafit, diamant) ima dobro definirano periodično mrežo, medtem ko amorfni ogljik nima urejenosti dolgega dosega. Ta strukturna razlika vpliva na elektronske, mehanske in optične lastnosti – kristalinične oblike izkazujejo anizotropijo in jasno izražene pasovne strukture, medtem ko ima amorfni ogljik izotropne lastnosti in spremenljivo električno prevodnost.

Katere so oblike ogljika?

Ogljik obstaja v več alotropskih oblikah, med katerimi so:

Kristalinične oblike: diamant, grafit, grafen, ogljikove nanocevke (CNTs), fulereni (npr. C₆₀).
Amorfne oblike: oglje, saje, industrijske saje, steklasti ogljik, diamantu podobni ogljik (DLC), enoslojni amorfni ogljik (MAC).
Hibridne nanostrukture: nanodiamanti, čebulaste ogljikove strukture, ogljikovi aerogeli in kompoziti, kot so hibridi nanoogljika in kovin.

Vsaka oblika ima značilne fizikalno-kemijske lastnosti, pomembne za uporabo v znanosti o materialih, elektroniki in shranjevanju energije.