Grafenin Ultrasonik Dispersiyonu
Grafeni kompozitlere dahil etmek için, grafenin formülasyonun tamamında homojen olarak tek tek nano tabakalar halinde disperse edilmesi veya eksfoliye edilmesi gerekir. Grafen ne kadar kapsamlı biçimde deaglomerasyona uğratılırsa, olağanüstü malzeme özelliklerinden o kadar iyi yararlanılabilir. Ultrasonik dispersiyon, yüksek konsantrasyonlarda ve viskozitelerde bile üstün parçacık dağılımı ve dispersiyon kararlılığı sunar. Bu yöntem, geleneksel karıştırma tekniklerini çok geride bırakan olağanüstü bir dispersiyon kalitesi sağlar.
Grafenin Ultrasonik Dispersiyonu
Kompozitlere grafenin dayanımı gibi olağanüstü özelliklerini kazandırmak için grafenin bir matris içinde homojen olarak disperse edilmesi veya bir altlık üzerine ince film kaplama olarak uygulanması gerekir. Elde edilen malzemenin özelliklerini etkileyen temel faktörler arasında aglomerasyon, sedimentasyon ve matris içindeki dispersiyon veya altlık üzerindeki parçacık dağılımı yer alır.
Grafenin hidrofobik yapısı nedeniyle, yüzey aktif maddeler veya dispersanlar olmadan kararlı ve yüksek konsantrasyonlu bir dispersiyon oluşturmak zordur. Van der Waals kuvvetlerini aşmak için güçlü kesme kuvvetleri gerekir; bu kuvvetler ultrasonik kavitasyonla etkin biçimde oluşturulabilir. Bu yöntem, kararlı dispersiyonlar hazırlamak için en gelişmiş yöntemdir.
Grafenin yüksek işleme kapasitesiyle dispersiyonu için endüstriyel sonikatörler.
2kW UIP2000hdT sonikatörü, 4kW UIP4000hdT sonikatörü, 6kW UIP6000hdT sonikatörü veya 16kW UIP16000hdT sonikatörü gibi bir ultrasonik disperser kullanılarak yüksek elektriksel iletkenliğe (712 S·m-1), iyi dispersiteye ve yüksek konsantrasyona sahip grafen kolayca hazırlanabilir. Sonikasyon ayrıca yaklaşık 65°C gibi düşük bir proses sıcaklığında kararlı bir grafen dispersiyonu hazırlanmasına olanak tanır.
Grafen eksfoliasyonu ve dispersiyonu için Hielscher endüstriyel prob tipi sonikatörleri hakkında daha fazla bilgi ve teknik ayrıntı burada bulunabilir:
- UIP1000hdT (1000 watt güçlü ultrason)
- UIP2000hdT (2000 watt güçlü ultrason)
- UIP4000hdT (4000 watt güçlü ultrason)
- UIP6000hdT (6000 watt güçlü ultrason)
- UIP16000hdT (16.000 watt güçlü ultrason)
Tüm Hielscher sonikatörleri, önemli proses parametrelerinin tamamının hassas biçimde kontrol edilmesine olanak tanır; ultrasonik dispersiyon teknolojisi, grafenin kimyasal ve kristal yapılarının hasar görmesini önleyerek bozulmamış, kusursuz grafen pulları elde edilmesini sağlar.
Hielscher güçlü ultrasonikatörleri, örneğin sıvı faz eksfoliasyonu ve grafen dispersiyonu için grafen ve grafiti büyük hacimlerde işleyebilir. Proses parametrelerinin hassas biçimde kontrol edilmesi, ultrasonik proseslerin tezgâh üstü ölçekten tam ticari üretime sorunsuz biçimde ölçeklendirilmesine olanak tanır.
Yaklaşık 3–4 katmanlı ve yaklaşık 1μm boyutundaki, ultrasonik olarak eksfoliye edilmiş az katmanlı grafen, en az 63 mg/mL konsantrasyonlarda (yeniden) disperse edilebilir.
Grafen nanoplakacıklarının (b) X3000 ve (c) X8000 büyütmelerindeki SEM görüntüleri
(Çalışma ve görüntüler: ©Alizadeh et al., 2018)
- yüksek kaliteli grafen
- yüksek işleme kapasitesi / yüksek verimler
- homojen dispersiyon
- yüksek konsantrasyon
- yüksek viskoziteler
- hızlı proses
- düşük maliyet
- son derece verimli
- çevre dostu
Grafen dispersiyonları için 7kW ultrasonik reaktör
Grafen için Ultrasonik Homojenizatörler ve Disperser
Hielscher Ultrasonics, yığın halindeki katmanlı grafen ve grafiti eksfoliye edip disperse ederek tek, iki ve az katmanlı grafene dönüştürmek için yüksek güçlü ultrasonik sistemler sunar. Güvenilir ultrasonik işlemcileri ve gelişmiş reaktörleri, belirli proses hedeflerine ulaşmak için gerekli gücü ve hassas kontrolü sağlar.
En temel proses parametrelerinden biri, ultrasonik horndaki titreşimsel yer değiştirme olan ultrasonik genliktir. Hielscher endüstriyel ultrasonikatörleri, 200µm’ye kadar genliklerde sürekli çalışarak çok yüksek genlikler sağlamak üzere tasarlanmıştır. Daha da yüksek genlikler için özelleştirilmiş ultrasonik problar mevcuttur. Tüm Hielscher sonikatörlerinin proses parametreleri, gerekli proses koşullarına hassas biçimde ayarlanabilir ve yerleşik yazılım aracılığıyla izlenebilir; böylece yüksek güvenilirlik, tutarlı kalite ve tekrarlanabilir sonuçlar sağlanır. Hielscher sonikatörlerinin sağlam tasarımı, zorlu ortamlarda 24/7 çalışma için geliştirilmiştir; bu da sonikasyonu, tek ve az katmanlı grafen nano tabakalarının büyük ölçekli üretimi için tercih edilen teknoloji haline getirir.
Hielscher, çeşitli boyut ve geometrilerde sonotrotlar ve reaktörler dahil olmak üzere geniş bir ultrasonikatör ve aksesuar yelpazesi sunar. Bu, en yüksek kaliteye ulaşmak için reaktifler, birim hacim başına ultrasonik enerji girdisi, basınç, sıcaklık ve debi gibi optimum reaksiyon koşullarının ve faktörlerinin seçilmesine olanak tanır. Ultrasonik reaktörleri birkaç yüz barg’a kadar basınçlandırılabilir; bu da yüksek viskoziteli macunların (250.000 santipuaza kadar) sonikasyonunu mümkün kılar.
Bu özellikler, ultrasonik delaminasyon, eksfoliasyon ve dispersiyonu geleneksel öğütme ve değirmende işleme tekniklerinden üstün kılar.
Hielscher sonikatörleri, piyasadaki en gelişmiş ultrasonik homojenizatörlerdir. Hielscher sonikatörlerinin sunduğu sayısız avantajdan yararlanın!
UP100H sonikatörü kullanılarak grafen nanoplakacıklarının ultrasonik sentezini gösteren grafik
(Çalışma ve grafik: Ghanem and Rehim, 2018)
Grafen için Hielscher Sonikatörleri:
- yüksek güçlü ultrason
- yüksek kesme kuvvetleri
- yüksek basınçlar uygulanabilir
- hassas kontrol
- sorunsuz ölçeklenebilirlik (doğrusal)
- kesikli ve sürekli akışlı işleme
- tekrarlanabilir sonuçlar
- güvenilirlik
- sağlamlık
- yüksek enerji verimliliği
Bilinmesi Gerekenler
Grafen Nedir?
Grafen, tek katmanlı veya 2D bir grafen yapısı olarak tanımlanabilen, bir atom kalınlığında bir karbon tabakasıdır (tek katmanlı grafen = SLG). Grafen, olağanüstü büyük bir özgül yüzey alanına ve üstün mekanik özelliklere (1 TPa Young modülü ve 130 GPa içsel dayanım) sahiptir; yüksek elektronik ve ısıl iletkenlik, yük taşıyıcı hareketliliği ve şeffaflık sunar ve gazları geçirmez. Bu malzeme özellikleri nedeniyle grafen, kompozitlere dayanımını, iletkenliğini vb. kazandırmak için takviye katkısı olarak kullanılır. Grafenin özelliklerini diğer malzemelerle birleştirmek için grafenin bileşik içinde disperse edilmesi veya bir altlık üzerine ince film kaplama olarak uygulanması gerekir.
Grafen nano tabakalarını disperse etmek için sıklıkla sıvı faz olarak kullanılan yaygın çözücüler arasında dimetil sülfoksit (DMSO) , N,N-dimetilformamid (DMF), N-metil-2-pirolidon (NMP), tetrametilüre (TMU, tetrahidrofuran (THF), propylene carbonateacetone (PC), etanol ve formamid bulunur.
Grafen Suda Disperse Edilebilir mi?
Evet, grafen, agregasyonu önlemek ve dispersiyon kararlılığını korumak için yüzey aktif maddeler, polimerler veya diğer kararlaştırıcı maddeler kullanılarak suda disperse edilebilir. Prob tipi sonikatörler gibi güvenilir dispersiyon ekipmanları da ultrasonik enerji kullanarak aglomeratları parçalayarak ve grafen parçacıklarının boyutunu küçülterek grafen dispersiyonunda önemli bir rol oynar; böylece sıvı ortamda daha homojen ve kararlı bir dispersiyon elde edilmesini destekler.
Grafen Oksit Suda Çözünebilir mi?
Evet, grafen oksit, hidrofilikliğini artıran ve kararlı sulu dispersiyonlar oluşturmasına olanak tanıyan oksijen içeren fonksiyonel grupları sayesinde suda çözünebilir.
Grafeni Disperse Etmek için En İyi Çözücü Hangisidir?
Grafeni disperse etmek için en iyi çözücü, yüksek polaritesi ve grafen tabakalarını kararlı hale getirme yeteneği sayesinde homojen ve kararlı bir dispersiyon sağlayan N-metil-2-pirolidondur (NMP).
Grafen Neden Suda Çözünmez?
Grafen, su molekülleriyle etkileşime girebilecek fonksiyonel gruplardan yoksun olduğu için suda çözünmez; bu durum onu hidrofobik hale getirir ve grafen tabakaları arasındaki güçlü van der Waals kuvvetleri nedeniyle agregasyona yatkın kılar.
Grafen Neden Kompozitlerde Kullanılır?
Grafen, bir atom kalınlığıyla en ince, yaklaşık 0,77 mg ağırlığıyla (1m2 başına) en hafif ve 150.000.000 psi çekme rijitliği (çelikten 100–300 kat daha güçlü) ve 130.000.000.000 paskal çekme dayanımıyla bilinen en güçlü malzemedir.
Ayrıca grafen, en iyi ısı iletkeni (oda sıcaklığında (4,84±0,44) × 103 ile (5,30±0,48) × 103 W·m-11·K-1) ve en iyi elektrik iletkenidir (elektron hareketliliği 15.000 cm2·V-1·s-1 değerinden yüksektir).
Grafenin bir diğer önemli özelliği, beyaz ışığın πα≈%2,3’ünü soğurması ve şeffaf görünümüyle tanımlanan optik özelliğidir.
Grafen matrislere dahil edilerek bu olağanüstü malzeme özellikleri, benzersiz işlevler sunan kompozite aktarılabilir. Bu tür grafen takviyeli kompozitler, malzeme geliştirme ve endüstriyel uygulamalar için yeni olanaklar sunar. Özellikleri nedeniyle grafen ve grafen kompozitleri, yüksek performanslı pillerin, süperkapasitörlerin, iletken mürekkeplerin, kaplamaların, fotovoltaik sistemlerin ve elektronik cihazların üretiminde hâlihazırda yaygın olarak kullanılmaktadır.
Hielscher sonikatörleri, grafen nano tabakalarını kompozit matrisler içinde homojen olarak dağıtmak amacıyla van der Waals kuvvetlerini aşmak için gereken yüksek kesme kuvvetlerini sağlar. UIP2000hdT veya UIP16000 gibi ultrasonik disperserler, grafen ve grafen oksit takviyeli nanokompozitler üretmek için kullanılır.
Literatür/Kaynaklar
- 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, yüksek performanslı ultrasonik homojenizatörleri laboratuvar ölçeğinden endüstriyel ölçeğe kadar üretir.