Ultraljudsdispersion av grafen
För att införliva grafen i kompositer är det viktigt att dispergera eller exfoliera grafenet i enstaka nanoark enhetligt genom hela formuleringen. Ju mer noggrant grafenet deagglomereras, desto bättre kan dess extraordinära materialegenskaper utnyttjas. Ultraljudsdispersion ger överlägsen partikelfördelning och dispersionsstabilitet, även vid höga koncentrationer och viskositeter. Denna metod ger enastående dispersionskvalitet som vida överträffar konventionella blandningstekniker.
Ultraljudsdispersion av grafen
För att ge kompositer de enastående egenskaperna hos grafen, såsom dess styrka, måste grafen disperseras jämnt i en matris eller appliceras som en tunnfilmsbeläggning på ett substrat. Nyckelfaktorer som påverkar de resulterande materialegenskaperna inkluderar agglomerering, sedimentation och dispersionen inom matrisen eller partikelfördelningen på substratet.
På grund av grafenets hydrofoba natur är det en utmaning att skapa en stabil och högkoncentrerad dispersion utan ytaktiva ämnen eller dispergeringsmedel. För att övervinna van der Waals-krafter krävs starka skjuvkrafter, som effektivt kan genereras genom ultraljudskavitation. Denna metod är den mest sofistikerade för att förbereda stabila dispersioner.
Industriella sonikatorer för höggenomströmningsdispersion av grafen.
Mer information och tekniska detaljer om Hielscher industriella sond-typ sonsonatorer för grafen exfoliering och dispersion finns här:
- UIP1000hdT (1000 watt effekt ultraljud)
- UIP2000hdT (2000 watt ultraljud med effekt)
- UIP4000hdT (4000 watt effekt ultraljud)
- UIP6000hdT (6000 watt effekt ultraljud)
- UIP16000hdT (ultraljud med 16 000 watt effekt)
Alla Hielscher sonikatorer möjliggör exakt kontroll över alla viktiga processparametrar, ultraljudsdispersionstekniken undviker skador på de kemiska och kristallstrukturerna av grafen – vilket resulterar i orörda, defektfria grafenflingor.
Hielscher kraftfulla ultraljudsapparater är kapabla att bearbeta grafen och grafit i stora volymer, t.ex. för vätskefas exfoliering och grafendispersion. Den exakta kontrollen över processparametrarna möjliggör sömlös uppskalning av ultraljudsprocesser från bänkskiva till fullkommersiell produktion.
Ultraljudsexfolierad fålagers grafen med ca 3-4 lager och en ca. storlek på 1μm kan (åter-)dispergeras vid koncentrationer på minst 63 mg/ml.
SEM-bilder av grafennanoplättar vid (b) X3000 och (c) X8000
(Studie och bilder: ©Alizadeh et al., 2018)
- Grafen av hög kvalitet
- Hög genomströmning / hög avkastning
- Enhetlig spridning
- Hög koncentration
- Höga viskositeter
- Snabb process
- Låg kostnad
- Mycket effektiv
- miljövänlig
7kW ultraljudsreaktor för grafendispersioner
Ultraljudshomogenisatorer och dispergeringsmedel för grafen
Hielscher Ultrasonics tillhandahåller ultraljudssystem med hög effekt för exfoliering och dispergering av bulkskiktad grafen och grafit till mono-, bi- och fåskiktad grafen. Deras pålitliga ultraljudsprocessorer och avancerade reaktorer ger den nödvändiga kraften och exakta kontrollen för att uppnå specifika processmål.
En av de viktigaste processparametrarna är ultraljudsamplituden, som är den vibrationella förskjutningen vid ultraljudshornet. Hielscher industriella ultraljudsapparater är utformade för att leverera mycket höga amplituder, med kontinuerlig drift på upp till 200 μm. För ännu högre amplituder finns anpassade ultraljudssonder tillgängliga. Processparametrarna för alla Hielscher sonikatorer kan justeras exakt till de nödvändiga processförhållandena och övervakas via inbyggd programvara, vilket säkerställer hög tillförlitlighet, konsekvent kvalitet och reproducerbara resultat. Den robusta designen av Hielscher sonikatorer är byggd för 24/7 drift i krävande miljöer, vilket gör ultraljudsbehandling till den föredragna tekniken för storskalig produktion av mono- och fåskiktade grafen nanoark.
Hielscher erbjuder ett brett utbud av ultraljudsapparater och tillbehör, inklusive sonotroder och reaktorer i olika storlekar och geometrier. Detta gör det möjligt att välja optimala reaktionsförhållanden och faktorer, såsom reagenser, ultraljudsenergitillförsel per volym, tryck, temperatur och flödeshastighet, för att uppnå högsta kvalitet. Deras ultraljudsreaktorer kan trycksättas upp till flera hundra barg, vilket gör ultraljudsbehandling av mycket viskösa pastor (upp till 250 000 centipoise) möjlig.
Dessa funktioner gör ultraljudsdelaminering, exfoliering och dispergering överlägsen konventionella slipnings- och malningstekniker.
Hielscher sonikatorer är de mest sofistikerade ultraljudshomogenisatorerna på marknaden. Dra nytta av de många fördelarna som följer med Hielscher sonikatorer!
Grafisk visualisering av ultraljudssyntesen av grafennanoplättar med hjälp av sonikator UP100H
(Studie och grafik: Ghanem och Rehim, 2018)
Hielscher ultraljudsapparater för grafen:
- Ultraljud med hög effekt
- Höga skjuvkrafter
- Tillämpliga med höga tryck
- Exakt kontroll
- Sömlös skalbarhet (linjär)
- Batch och genomströmning
- Reproducerbara resultat
- tillförlitlighet
- robusthet
- Hög energieffektivitet
Fakta som är värda att veta
Vad är grafen?
Grafen är ett en atom tjockt lager av kol, som kan beskrivas som en enskikts- eller 2D-struktur av grafen (enkelskiktsgrafen = SLG). Grafen har en utomordentligt stor specifik yta och överlägsna mekaniska egenskaper (Youngs modul på 1 TPa och inneboende styrka på 130 GPa), erbjuder stor elektronisk och termisk ledningsförmåga, laddningsbärarrörlighet, transparens och är ogenomtränglig för gaser. På grund av dessa materialegenskaper används grafen som förstärkande tillsats för att ge kompositer dess styrka, ledningsförmåga etc. För att kunna kombinera grafenets egenskaper med andra material måste grafen dispergeras i föreningen eller appliceras som en tunnfilmsbeläggning på ett substrat.
Vanliga lösningsmedel, som ofta används i vätskefas för att dispergera grafennanoark, inkluderar dimetylsulfoxid (DMSO), N,N-dimetylformamid (DMF), N-metyl-2-pyrrolidon (NMP), tetrametylurea (TMU, tetrahydrofuran (THF), propylenkarbonataceton (PC), etanol och formamid.
Kan grafen dispergeras i vatten?
Ja, grafen kan dispergeras i vatten med hjälp av ytaktiva ämnen, polymerer eller andra stabiliseringsmedel för att förhindra aggregering och upprätthålla dispersionsstabilitet. Pålitlig dispergeringsutrustning som sond-typ sonikatorer spelar också en avgörande roll i grafendispersion genom att använda ultraljudsenergi för att bryta upp agglomerat och minska storleken på grafenpartiklar, vilket främjar en mer enhetlig och stabil dispersion i det flytande mediet.
Kan grafenoxid lösas upp i vatten?
Ja, grafenoxid kan lösas upp i vatten på grund av dess syrehaltiga funktionella grupper, vilket förbättrar dess hydrofilicitet och gör att den kan bilda stabila vattenhaltiga dispersioner.
Vilket är det bästa lösningsmedlet för att dispergera grafen?
Det bästa lösningsmedlet för att dispergera grafen är N-metyl-2-pyrrolidon (NMP) på grund av dess höga polaritet och förmåga att stabilisera grafenark, vilket resulterar i en enhetlig och stabil dispersion.
Varför är grafen olösligt i vatten?
Grafen är olösligt i vatten eftersom det saknar funktionella grupper som kan interagera med vattenmolekyler, vilket gör det hydrofobt och benäget att aggregering på grund av starka van der Waals-krafter mellan grafenark.
Varför används grafen i kompositer?
Grafen är med en tjocklek på en atom den tunnaste, med en vikt på ca 0,77 mg per 1m2 det lättaste, och med en dragstyvhet på 150 000 000 psi (100-300 gånger starkare än stål) och en draghållfasthet på 130 000 000 000 Pascal det starkaste kända materialet.
Dessutom är grafen den bästa värmeledaren (vid rumstemperatur med (4,84±0,44) × 103 till (5.30±0.48) × 103 W·m-11· K-1) och den bästa elektriska ledaren (elektronrörlighet högre än 15 000 cm2· V-1·s-1).
En annan viktig egenskap hos grafen är dess optiska egenskaper med en ljusabsorption vid πα≈2,3 % av vitt ljus, och dess transparenta utseende.
Genom att inkorporera grafen i matriser kan dessa enastående materialegenskaper överföras till den resulterande kompositen, som erbjuder unika funktioner. Sådana grafenförstärkta kompositer erbjuder nya möjligheter för materialutveckling och industriella tillämpningar. På grund av dess egenskaper är grafen och grafenkompositer redan allmänt spridda vid tillverkning av högpresterande batterier, superkondensatorer, ledande bläck, beläggningar, solcellssystem och elektroniska enheter
Hielscher sonikatorer levererar de höga skjuvkrafter som krävs för att övervinna van der Waals-krafter för att fördela grafennanoark likformigt i kompositmatriser. Ultraljudsdispergeringsmedel som UIP2000hdT eller UIP16000 används för att producera grafen- och grafenoxidförstärkta nanokompositer.
Litteratur/Referenser
- 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 tillverkar högpresterande ultraljudshomogenisatorer från labb till industriell storlek.