Ултразвучно дисперговање графена
За уградњу графена у композите неопходно је графен дисперговати или ексфолирати у појединачне нанолистове, равномерно распоређене у целој формулацији. Што је деагломерација графена потпунија, то се боље могу искористити његова изузетна својства. Ултразвучно дисперговање обезбеђује супериорну расподелу честица и стабилност дисперзије, чак и при високим концентрацијама и вискозностима. Ова метода обезбеђује изванредан квалитет дисперзије, далеко надмашујући конвенционалне технике мешања.
Ултразвучно дисперговање графена
Да би композити добили изузетна својства графена, као што је његова чврстоћа, графен мора бити равномерно диспергован у матрици или нанесен на подлогу као танкослојни премаз. Кључни фактори који утичу на својства добијеног материјала обухватају агломерацију, седиментацију и диспергованост унутар матрице или расподелу честица на подлози.
Због хидрофобне природе графена, стварање стабилне и висококонцентроване дисперзије без површински активних средстава или дисперзаната представља изазов. За савладавање ван дер Валсових сила потребне су јаке силе смицања, које се могу ефикасно генерисати ултразвучном кавитацијом. Ова метода је најсофистициранија за припрему стабилних дисперзија.
Индустријски соникатори за дисперговање графена са великим капацитетом обраде.
Коришћењем ултразвучног диспергатора, као што су соникатор UIP2000hdT снаге 2kW, соникатор UIP4000hdT снаге 4kW, соникатор UIP6000hdT снаге 6kW или соникатор UIP16000hdT снаге 16kW, могуће је лако припремити графен високе електричне проводљивости (712 S·m-1), добре дисперзности и високе концентрације. Соникација такође омогућава припрему стабилне дисперзије графена при ниској процесној температури од приближно 65°C.
Више информација и техничких детаља о индустријским соникаторима Hielscher са сондом за ексфолијацију и дисперговање графена можете пронаћи овде:
- UIP1000hdT (ултразвук снаге 1000 вати)
- UIP2000hdT (ултразвук снаге 2000 вати)
- UIP4000hdT (ултразвук снаге 4000 вати)
- UIP6000hdT (ултразвук снаге 6000 вати)
- UIP16000hdT (ултразвук снаге 16.000 вати)
Сви соникатори Hielscher омогућавају прецизну контролу свих важних процесних параметара, а технологија ултразвучног дисперговања спречава оштећења хемијске и кристалне структуре графена – чиме се добијају нетакнуте графенске љуспице без дефеката.
Снажни ултрасоникатори Hielscher могу да обрађују графен и графит у великим запреминама, нпр. за ексфолијацију у течној фази и дисперговање графена. Прецизна контрола процесних параметара омогућава несметано повећање размера ултразвучних процеса од стоних система до производње у пуном комерцијалном обиму.
Ултразвучно ексфолиран графен са малим бројем слојева, приближно 3–4 слоја и величине приближно 1μm, може се (поново) дисперговати при концентрацијама од најмање 63 mg/mL.
SEM снимци графенских наноплочица при увећањима (b) X3000 и (c) X8000
(Студија и снимци: ©Alizadeh et al., 2018)
- графен високог квалитета
- велики капацитет обраде / високи приноси
- равномерна дисперзија
- висока концентрација
- високе вискозности
- брз процес
- ниски трошкови
- висока ефикасност
- еколошка прихватљивост
Ултразвучни реактор снаге 7kW за дисперзије графена
Ултразвучни хомогенизатори и диспергатор за графен
Hielscher Ultrasonics обезбеђује ултразвучне системе велике снаге за ексфолијацију и дисперговање вишеслојног графена и графита у једнослојни, двослојни и малослојни графен. Њихови поуздани ултразвучни процесори и напредни реактори пружају неопходну снагу и прецизну контролу за постизање конкретних циљева процеса.
Један од најважнијих параметара процеса је амплитуда ултразвука, која представља вибрационо померање ултразвучне сонде. Индустријски ултразвучни уређаји Hielscher пројектовани су за постизање веома високих амплитуда, уз непрекидан рад при амплитудама до 200µm. За још више амплитуде доступне су ултразвучне сонде израђене по мери. Параметри процеса свих соникатора Hielscher могу се прецизно прилагодити потребним условима процеса и пратити путем уграђеног софтвера, чиме се обезбеђују висока поузданост, уједначен квалитет и поновљиви резултати. Робусна конструкција соникатора Hielscher омогућава рад 24/7 у захтевним окружењима, што соникацију чини преферираном технологијом за производњу једнослојних и малослојних нанолистова графена у великом обиму.
Hielscher нуди широк асортиман ултразвучних уређаја и прибора, укључујући сонотроде и реакторе различитих величина и геометрија. То омогућава избор оптималних реакционих услова и фактора, као што су реагенси, унос ултразвучне енергије по јединици запремине, притисак, температура и проток, ради постизања највишег квалитета. Њихови ултразвучни реактори могу радити под притиском до неколико стотина barg, што омогућава соникацију високо вискозних паста (до 250.000 центипоаза).
Захваљујући овим могућностима, ултразвучна деламинација, ексфолијација и дисперговање надмашују конвенционалне технике уситњавања и млевења.
Соникатори Hielscher су најсофистициранији ултразвучни хомогенизатори на тржишту. Искористите бројне предности које пружају соникатори Hielscher!
Графички приказ ултразвучне синтезе наноплочица графена помоћу соникатора UP100H
(Студија и графички приказ: Ghanem and Rehim, 2018)
Соникатори Hielscher за графен:
- ултразвук велике снаге
- велике силе смицања
- могућност примене високих притисака
- прецизна контрола
- несметано повећање размера процеса (линеарно)
- шаржни и проточни рад
- поновљиви резултати
- поузданост
- робусност
- висока енергетска ефикасност
Чињенице које вреди знати
Шта је графен?
Графен је слој угљеника дебљине једног атома, који се може описати као једнослојна или 2D структура графена (једнослојни графен = SLG). Графен има изузетно велику специфичну површину и врхунска механичка својства (Јунгов модул од 1 TPa и унутрашњу чврстоћу од 130 GPa), одликује се великом електронском и топлотном проводљивошћу, покретљивошћу носилаца наелектрисања и провидношћу, а непропустљив је за гасове. Због ових својстава материјала, графен се користи као додатак за ојачавање како би композитима пренео своју чврстоћу, проводљивост итд. Да би се својства графена комбиновала са другим материјалима, графен се мора дисперговати у смеши или се наноси као танкослојна превлака на подлогу.
Уобичајени растварачи, који се често користе као течна фаза за дисперговање нанолистова графена, обухватају диметил-сулфоксид (DMSO) , N,N-диметилформамид (DMF), N-метил-2-пиролидон (NMP), тетраметилуреу (TMU, тетрахидрофуран (THF), пропилен-карбонатацетон (PC), етанол и формамид.
Може ли графен да се диспергује у води?
Да, графен може да се диспергује у води помоћу површински активних материја, полимера или других стабилизујућих средстава ради спречавања агрегације и одржавања стабилности дисперзије. Поуздана опрема за дисперговање, попут соникатора са сондом, такође има кључну улогу у дисперговању графена јер користи ултразвучну енергију за разбијање агломерата и смањење величине честица графена, чиме подстиче равномернију и стабилнију дисперзију у течној средини.
Може ли графен-оксид да се раствори у води?
Да, графен-оксид може да се раствори у води захваљујући својим функционалним групама које садрже кисеоник, које повећавају његову хидрофилност и омогућавају му да формира стабилне водене дисперзије.
Који је најбољи растварач за дисперговање графена?
Најбољи растварач за дисперговање графена је N-метил-2-пиролидон (NMP) због своје високе поларности и способности да стабилизује листове графена, чиме се добија уједначена и стабилна дисперзија.
Зашто је графен нерастворљив у води?
Графен је нерастворљив у води јер нема функционалне групе које могу да ступају у интеракцију са молекулима воде, што га чини хидрофобним и склоним агрегацији услед јаких ван дер Валсових сила између листова графена.
Зашто се графен користи у композитима?
Графен је, са дебљином од једног атома, најтањи, са масом од приближно 0,77 mg по 1m2 најлакши, а са затезном крутошћу од 150.000.000 psi (100–300 пута јачи од челика) и затезном чврстоћом од 130.000.000.000 паскала најјачи познати материјал.
Осим тога, графен је најбољи проводник топлоте (на собној температури са (4,84±0,44) × 103 до (5,30±0,48) × 103 W·m-11·K-1) и најбољи електрични проводник (покретљивост електрона већа од 15.000 cm2·V-1·s-1).
Још једна важна карактеристика графена је његово оптичко својство апсорпције беле светлости од πα≈2,3%, као и његова прозирност.
Уграђивањем графена у матрице, ова изузетна својства материјала могу се пренети на добијени композит, који пружа јединствене функционалности. Такви композити ојачани графеном отварају нове могућности за развој материјала и индустријске примене. Захваљујући својим својствима, графен и композити са графеном већ се широко користе у производњи батерија високих перформанси, суперкондензатора, проводних мастила, премаза, фотонапонских система и електронских уређаја
Hielscher соникатори обезбеђују потребне велике смицајне силе за савладавање ван дер Валсових сила како би се нанолистови графена равномерно распоредили у композитним матрицама. Ултразвучни диспергатори као што су UIP2000hdT или UIP16000 користе се за производњу нанокомпозита ојачаних графеном и графен-оксидом.
Литература/Референце
- 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 производи ултразвучне хомогенизаторе високих перформанси од лабораторијских до индустријских размера.