Ultraljudsdispergering av grafen

För att införliva grafen i kompositer är det avgörande att dispergera eller exfoliera grafenet till enskilda nanoskikt jämnt fördelade i hela formuleringen. Ju grundligare grafenet deagglomereras, desto bättre kan dess enastående materialegenskaper utnyttjas. Ultraljudsdispergering ger överlägsen partikelfördelning och dispersionsstabilitet, även vid höga koncentrationer och viskositeter. Denna metod ger en enastående dispersionskvalitet som vida överträffar konventionella blandningstekniker.

Ultraljudsdispergering av grafen

För att ge kompositer grafenets enastående egenskaper, såsom dess hållfasthet, måste grafenet dispergeras jämnt i en matris eller appliceras som en tunnfilmsbeläggning på ett substrat. Viktiga faktorer som påverkar de resulterande materialegenskaperna är bland annat agglomerering, sedimentering och dispergeringen i matrisen eller partikelfördelningen på substratet.
På grund av grafenets hydrofoba natur är det svårt att skapa en stabil och högkoncentrerad dispersion utan ytaktiva ämnen eller dispergeringsmedel. För att övervinna van der Waals-krafterna krävs starka skjuvkrafter, som effektivt kan genereras genom ultraljudskavitation. Denna metod är den mest avancerade för att framställa stabila dispersioner.

MultiSonoReactor MSR-5 utrustad med 5x 4kW ultraljudsapparater för bearbetning av grafen med hög genomströmning

Industriella sonikatorer för dispergering av grafen med hög processkapacitet.

Lär er att framställa högkvalitativt enskiktsgrafen genom ultraljudsexfoliering med högeffektiva sondsonikatorer. Ultraljudsbehandling är en enkel, effektiv och skalbar metod för att framställa grafendispersioner med högt utbyte och utmärkt kvalitet på grafenarken.

Med en ultraljudsdispergerare, såsom sonikatorn UIP2000hdT på 2kW, sonikatorn UIP4000hdT på 4kW, sonikatorn UIP6000hdT på 6kW eller sonikatorn UIP16000hdT på 16kW, är det möjligt att enkelt framställa grafen med hög elektrisk ledningsförmåga (712 S·m-1), god dispersitet och hög koncentration. Sonikering möjliggör också framställning av en stabil grafendispersion vid en låg processtemperatur på cirka 65°C.

Mer information och tekniska detaljer om Hielschers industriella sondsonikatorer för exfoliering och dispergering av grafen finns här:

Alla sonikatorer från Hielscher möjliggör exakt kontroll över alla viktiga processparametrar. Ultraljudsdispergeringstekniken förhindrar skador på grafenets kemiska struktur och kristallstruktur – vilket resulterar i intakta, defektfria grafenflingor.
Hielschers kraftfulla ultraljudsapparater kan bearbeta grafen och grafit i stora volymer, t.ex. för exfoliering i vätskefas och dispergering av grafen. Den exakta kontrollen över processparametrarna möjliggör en sömlös uppskalning av ultraljudsprocesser från bänkskala till fullskalig kommersiell produktion.
Ultraljudsexfolierat grafen med få skikt, cirka 3–4 skikt och en storlek på cirka 1μm, kan dispergeras eller återdispergeras vid koncentrationer på minst 63 mg/mL.

Grafennanoplättar kan framgångsrikt syntetiseras och dispergeras genom ultraljudsbehandling.

SEM-bilder av grafennanoplättar vid (b) X3000 och (c) X8000
(Studie och bilder: ©Alizadeh et al., 2018)

Fördelar:

grafen av hög kvalitet
hög processkapacitet / höga utbyten
jämn dispergering
hög koncentration
höga viskositeter
snabb process
låg kostnad
mycket effektiv
miljövänlig

Ultraljudsdispergeringssystem med hög effekt (7x UIP1000hdT) för bearbetning av grafen i industriell skala. (Klicka för att förstora!)

Ultraljudsreaktor på 7kW för grafendispersioner

Ultraljudshomogenisatorer och dispergerare för grafen

Hielscher Ultrasonics tillhandahåller ultraljudssystem med hög effekt för exfoliering och dispergering av grafen och grafit i form av skiktat bulkmaterial till grafen med ett, två eller ett fåtal skikt. Deras tillförlitliga ultraljudsprocessorer och avancerade reaktorer ger den effekt och precisa styrning som krävs för att uppnå specifika processmål.

En av de viktigaste processparametrarna är ultraljudsamplituden, som är vibrationsförskjutningen vid ultraljudshornet. Hielschers industriella ultraljudsapparater är konstruerade för att leverera mycket höga amplituder, med kontinuerlig drift vid upp till 200µm. För ännu högre amplituder finns specialanpassade ultraljudssonder. Processparametrarna för alla Hielscher-sonikatorer kan anpassas exakt till de processförhållanden som krävs och övervakas via inbyggd programvara, vilket säkerställer hög tillförlitlighet, jämn kvalitet och reproducerbara resultat. Hielscher-sonikatorernas robusta konstruktion är utformad för drift dygnet runt, alla dagar i veckan, i krävande miljöer, vilket gör sonikering till den föredragna tekniken för storskalig produktion av grafennanoark med ett eller ett fåtal skikt.

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, tillförd ultraljudsenergi per volym, tryck, temperatur och flödeshastighet, för att uppnå högsta kvalitet. Deras ultraljudsreaktorer kan trycksättas upp till flera hundra barg, vilket möjliggör sonikering av högviskösa pastor (upp till 250 000 centipoise).

Dessa egenskaper gör delaminering, exfoliering och dispergering med ultraljud överlägsna konventionella slipnings- och malningstekniker.

De bästa ultraljudsapparaterna tillverkas av Hielscher Ultrasonics. De utmärker sig genom sin effekt, toppmoderna teknik och tillförlitlighet.

Hielscher-sonikatorer är de mest sofistikerade ultraljudshomogenisatorerna på marknaden. Dra nytta av de många fördelar som Hielscher-sonikatorer erbjuder!

Exfoliering av grafit med ultraljudsapparaten av sondtyp UP100H gav grafennanoplättar med oförändrad struktur

Grafisk illustration av ultraljudssyntesen av grafennanoplattor med sonikatorn UP100H
(Studie och illustration: Ghanem och Rehim, 2018)

Hielscher-sonikatorer för grafen:

ultraljud med hög effekt
höga skjuvkrafter
höga tryck kan användas
precis styrning
sömlös skalbarhet (linjär)
satsvis drift och genomflödesdrift
reproducerbara resultat
tillförlitlighet
robusthet
hög energieffektivitet

Relaterade ämnen

Fakta värda att känna till

Vad är grafen?

Grafen är ett en atom tjockt skikt av kol, som kan beskrivas som en enskiktsstruktur eller 2D-struktur av grafen (enskiktsgrafen = SLG). Grafen har en utomordentligt stor specifik yta och överlägsna mekaniska egenskaper (Youngs modul på 1 TPa och inneboende hållfasthet på 130 GPa), erbjuder hög elektrisk och termisk ledningsförmåga, hög laddningsbärarrörlighet och transparens samt är ogenomträngligt för gaser. På grund av dessa materialegenskaper används grafen som förstärkande tillsats för att ge kompositer dess hållfasthet, ledningsförmåga osv. För att kombinera grafenets egenskaper med andra material måste grafenet dispergeras i materialblandningen eller appliceras som en tunnfilmsbeläggning på ett substrat.
Vanliga lösningsmedel som ofta används som vätskefas för att dispergera grafennanoark är dimetylsulfoxid (DMSO) , N,N-dimetylformamid (DMF), N-metyl-2-pyrrolidon (NMP), tetrametylurea (TMU, tetrahydrofuran (THF), propylene carbonateacetone (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 bibehålla dispersionens stabilitet. Tillförlitlig dispergeringsutrustning, såsom sonikatorer av sondtyp, spelar också en avgörande roll vid dispergering av grafen genom att använda ultraljudsenergi för att bryta upp agglomerat och minska grafenpartiklarnas storlek, vilket främjar en jämnare och stabilare dispersion i vätskemediet.

Kan grafenoxid lösas upp i vatten?

Ja, grafenoxid kan lösas upp i vatten tack vare sina syrehaltiga funktionella grupper, som ökar dess hydrofilicitet och gör att den kan bilda stabila vattendispersioner.

Vilket är det bästa lösningsmedlet för att dispergera grafen?

Det bästa lösningsmedlet för att dispergera grafen är N-metyl-2-pyrrolidon (NMP) tack vare dess höga polaritet och förmåga att stabilisera grafenark, vilket ger 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 aggregera på grund av starka van der Waals-krafter mellan grafenarken.

Varför används grafen i kompositer?

Grafen är med en tjocklek på en atom det 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 (elektronmobilitet högre än 15 000 cm²·V^-1·s^-1).
En annan viktig egenskap hos grafen är dess optiska egenskaper med en ljusabsorption på πα≈2,3% av vitt ljus och dess genomskinliga utseende.
Genom att införliva 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. Tack vare sina egenskaper används grafen och grafenkompositer redan i stor utsträckning vid tillverkning av högpresterande batterier, superkondensatorer, ledande bläck, beläggningar, solcellssystem och elektroniska enheter
Hielschers ultraljudsapparater levererar de höga skjuvkrafter som krävs för att övervinna van der Waals-krafterna och fördela grafennanoark jämnt i kompositmatriser. Ultraljudsdispergerare som UIP2000hdT eller UIP16000 används för att framställa nanokompositer förstärkta med grafen och grafenoxid.

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.

Högpresterande ultraljudsteknik! Hielschers produktsortiment täcker hela spektrumet från den kompakta ultraljudsapparaten för laboratorier via bänkapparater till ultraljudssystem för fullskalig industriell användning.

Hielscher Ultrasonics tillverkar högpresterande ultraljudshomogenisatorer från laboratorieformat till industriell storlek.

Ultraljudsdispergering av grafen