Ultrazvočna disperzija grafena
Za vključitev grafena v kompozite je bistveno, da se grafen enakomerno razprši ali lušči v posamezne nano-liste. Bolj temeljito je grafen deaglomeriran, bolje se lahko izkoristijo njegove izredne lastnosti materiala. Ultrazvočna disperzija ponuja vrhunsko porazdelitev delcev in stabilnost disperzije, tudi pri visokih koncentracijah in viskoznostih. Ta metoda zagotavlja izjemno kakovost disperzije, ki daleč presega običajne tehnike mešanja.
Ultrazvočna disperzija grafena
Da bi kompozitom dali izjemne lastnosti grafena, kot je njegova trdnost, je treba grafen enakomerno razpršiti v matrico ali nanesti kot tankoslojno prevleko na podlago. Ključni dejavniki, ki vplivajo na nastale lastnosti materiala, vključujejo aglomeracijo, sedimentacijo in disperzijo znotraj matrice ali porazdelitev delcev na substratu.
Zaradi hidrofobne narave grafena je ustvarjanje stabilne in visoko koncentrirane disperzije brez površinsko aktivnih snovi ali disperzijskih sredstev izziv. Premagovanje van der Waalsovih sil zahteva močne strižne sile, ki jih je mogoče učinkovito ustvariti z ultrazvočno kavitacijo. Ta metoda je najbolj izpopolnjena za pripravo stabilnih disperzij.
Industrijski sonikatorji za visoko zmogljivo disperzijo grafena.
[/one_third_last]
Več informacij in tehničnih podrobnosti o Hielscherjevih sonikatorjih za luščenje in disperzijo grafena najdete tukaj:
- UIP1000hdT (ultrazvok moči 1000 vatov)
- UIP2000hdT (ultrazvok moči 2000 vatov)
- UIP4000hdT (ultrazvok moči 4000 vatov)
- UIP6000hdT (ultrazvok moči 6000 vatov)
- UIP16000hdT (ultrazvok moči 16.000 vatov)
Vsi Hielscher sonicatorji omogočajo natančen nadzor nad vsemi pomembnimi procesnimi parametri, ultrazvočna disperzijska tehnologija preprečuje poškodbe kemičnih in kristalnih struktur grafena – kar ima za posledico nedotaknjene grafenske kosmiče brez napak.
Hielscher zmogljivi ultrazvočni aparati so sposobni obdelovati grafen in grafit v velikih količinah, npr. za piling v tekoči fazi in disperzijo grafena. Natančen nadzor nad procesnimi parametri omogoča brezhibno povečanje ultrazvočnih procesov od klopi do polne komercialne proizvodnje.
Ultrazvočno luščen večplastni grafen s približno 3-4 plastmi in velikostjo približno 1 μm se lahko (ponovno) razprši pri koncentracijah najmanj 63 mg/ml.
SEM posnetki grafenskih nanotrombocitov pri (b) X3000 in (c) X8000
(Študija in slike: ©Alizadeh et al., 2018)
- visokokakovostni grafen
- visoka prepustnost / visoki donosi
- enakomerna disperzija
- visoka koncentracija
- visoke viskoznosti
- Hiter postopek
- nizki stroški
- Visoko učinkovit
- okolju prijazen
7kW ultrazvočni reaktor za grafenske disperzije
Ultrazvočni homogenizatorji in dispergatorji za grafen
Hielscher Ultrasonics ponuja ultrazvočne sisteme visoke moči za piling in razprševanje grafena in grafita v eno-, dvo- in nekaj plasti grafena. Njihovi zanesljivi ultrazvočni procesorji in napredni reaktorji zagotavljajo potrebno moč in natančen nadzor za doseganje specifičnih procesnih ciljev.
Eden najpomembnejših procesnih parametrov je ultrazvočna amplituda, ki je vibracijski premik na ultrazvočnem rogu. Hielscher industrijski ultrazvočni aparati so zasnovani tako, da zagotavljajo zelo visoke amplitude z neprekinjenim delovanjem do 200 μm. Za še višje amplitude so na voljo prilagojene ultrazvočne sonde. Procesne parametre vseh Hielscher sonicatorjev je mogoče natančno prilagoditi zahtevanim procesnim pogojem in jih spremljati z vgrajeno programsko opremo, kar zagotavlja visoko zanesljivost, dosledno kakovost in ponovljive rezultate. Robustna zasnova Hielscher sonicatorjev je zgrajena za 24/7 delovanje v zahtevnih okoljih, zaradi česar je ultrazvočna tehnologija najprimernejša tehnologija za obsežno proizvodnjo eno- in nekaj plastnih grafenskih nanolistov.
Hielscher ponuja široko paleto ultrazvočnih aparatov in dodatkov, vključno s sonotrodami in reaktorji različnih velikosti in geometrij. To omogoča izbiro optimalnih reakcijskih pogojev in dejavnikov, kot so reagenti, ultrazvočni vnos energije na prostornino, tlak, temperatura in pretok, da se doseže najvišja kakovost. Njihovi ultrazvočni reaktorji so lahko pod tlakom do več sto bargov, kar omogoča ultrazvočno razbijanje visoko viskoznih past (do 250.000 centipoise).
Te zmogljivosti omogočajo ultrazvočno delaminacijo, piling in razprševanje boljše od običajnih tehnik brušenja in mletja.
Hielscher sonicatorji so najbolj izpopolnjeni ultrazvočni homogenizatorji na trgu. Izkoristite številne prednosti, ki jih prinašajo Hielscher sonicatorji!
Grafična vizualizacija ultrazvočne sinteze grafenskih nanotrombocitov z uporabo sonikatorja UP100H
(Študija in grafika: Ghanem in Rehim, 2018)
Hielscher Sonicators za grafen:
- ultrazvok visoke moči
- visoke strižne sile
- Uporabljajo se visoki tlaki
- natančen nadzor
- Brezhibna razširljivost (linearno)
- Šarža in pretok
- ponovljivi rezultati
- Zanesljivost
- Robustnosti
- visoka energetska učinkovitost
Dejstva, ki jih je vredno vedeti
Kaj je grafen?
Grafen je plast ogljika debeline enega atoma, ki jo lahko opišemo kot enoslojno ali 2D strukturo grafena (enoslojni grafen = SLG). Grafen ima izjemno veliko specifično površino in vrhunske mehanske lastnosti (Youngov modul 1 TPa in notranja trdnost 130 GPa), ponuja odlično elektronsko in toplotno prevodnost, mobilnost nosilca naboja, preglednost in je neprepusten za pline. Zaradi teh lastnosti materiala se grafen uporablja kot ojačitveni dodatek, ki daje kompozitom trdnost, prevodnost itd. Da bi združili lastnosti grafena z drugimi materiali, je treba grafen razpršiti v spojino ali pa se nanese kot tankoplastni premaz na podlago.
Običajna topila, ki se pogosto uporabljajo kot tekoča faza za razprševanje grafenskih nanolistov, vključujejo dimetil sulfoksid (DMSO), N, N-dimetilformamid (DMF), N-metil-2-pirolidon (NMP), tetrametilsečnino (TMU, tetrahidrofuran (THF), propilen karbonaton (PC), etanol in formamid.
Ali se grafen lahko razprši v vodi?
Da, grafen se lahko razprši v vodi z uporabo površinsko aktivnih snovi, polimerov ali drugih stabilizacijskih sredstev, da se prepreči agregacija in ohrani stabilnost disperzije. Zanesljiva disperzijska oprema, kot so sondni zvočniki, igrajo tudi ključno vlogo pri disperziji grafena z uporabo ultrazvočne energije za razgradnjo aglomeratov in zmanjšanje velikosti delcev grafena, kar spodbuja bolj enakomerno in stabilno disperzijo v tekočem mediju.
Ali se grafen oksid lahko raztopi v vodi?
Da, grafen oksid se lahko raztopi v vodi zaradi funkcionalnih skupin, ki vsebujejo kisik, kar povečuje njegovo hidrofilnost in mu omogoča, da tvori stabilne vodne disperzije.
Katero je najboljše topilo za razprševanje grafena?
Najboljše topilo za razprševanje grafena je N-metil-2-pirolidon (NMP) zaradi svoje visoke polarnosti in sposobnosti stabilizacije grafenskih listov, kar ima za posledico enakomerno in stabilno disperzijo.
Zakaj je grafen netopen v vodi?
Grafen je netopen v vodi, ker nima funkcionalnih skupin, ki bi lahko medsebojno delovale z molekulami vode, zaradi česar je hidrofobna in nagnjena k agregaciji zaradi močnih van der Waalsovih sil med grafenskimi ploščami.
Zakaj se grafen uporablja v kompozitih?
Grafen je z debelino enega atoma najtanjši, s težo približno 0,77 mg na 1m2 najlažji in z natezno togostjo 150.000.000 psi (100-300-krat močnejšo od jekla) in natezno trdnostjo 130.000.000.000 Pascalov najmočnejši znani material.
Poleg tega je grafen najboljši toplotni prevodnik (pri sobni temperaturi z (4,84±0,44) × 103 do (5,30±0,48) × 103 W·m-11· K-1) in najboljši električni prevodnik (mobilnost elektronov višja od 15.000 cm2· V-1·s-1).
Druga pomembna značilnost grafena je njegova optična lastnost z absorpcijo svetlobe pri πα≈2,3% bele svetlobe in njegov prozoren videz.
Z vključitvijo grafena v matrike se lahko te izjemne lastnosti materiala prenesejo na nastali kompozit, ki ponuja edinstvene funkcionalnosti. Takšni kompoziti, ojačani s grafenom, ponujajo nove možnosti za razvoj materialov in industrijsko uporabo. Zaradi svojih lastnosti so grafen in grafen-kompoziti že zelo razširjeni v proizvodnji visoko zmogljivih baterij, superkondenzatorjev, prevodnih črnil, premazov, fotovoltaičnih sistemov in elektronskih naprav
Hielscherjevi sonikatorji zagotavljajo potrebne visoke strižne sile za premagovanje van der Waalsovih sil, da bi grafenske nanoplošče enakomerno porazdelili v kompozitne matrike. Ultrazvočni razpršilci, kot so UIP2000hdT ali UIP16000, se uporabljajo za proizvodnjo nano-kompozitov, ojačanih s grafenom in grafen oksidom.
Literatura/Reference
- 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 proizvaja visoko zmogljive ultrazvočne homogenizatorje iz laboratorij k industrijska velikost.