Ультразвукова дисперсія графену
Для включення графену до композитів необхідно рівномірно диспергувати або розшаровувати графен на окремі нанопластинки по всій масі формулювання. Чим ретельніше графен дезагломерований, тим краще можна використати його виняткові матеріальні властивості. Ультразвукова дисперсія забезпечує кращий розподіл частинок і стабільність дисперсії, навіть за високих концентрацій і в’язкостей. Цей метод забезпечує видатну якість дисперсії, значно перевищуючи традиційні техніки змішування.
Ультразвукова дисперсія графену
Щоб надати композитам видатні характеристики графену, такі як його міцність, графен має бути рівномірно диспергований у матриці або нанесений як тонкоплівкове покриття на підкладку. Ключові фактори, що впливають на отримані матеріальні властивості, включають агломерацію, седиментацію та дисперсію в матриці або розподіл частинок на підкладці.
Через гідрофобну природу графену створення стабільної та висококонцентрованої дисперсії без поверхнево-активних речовин або диспергаторів є складним завданням. Подолання сил Ван-дер-Ваальса вимагає сильних зсувних сил, які можуть бути ефективно згенеровані за допомогою ультразвукової кавітації. Цей метод є найбільш досконалим для приготування стабільних дисперсій.
Промислові ультразвукові апарати для високоефективної дисперсії графену.
Використовуючи ультразвуковий диспергатор, такий як 2kW sonicator UIP2000hdT, 4kW sonicator UIP4000hdT, 6kW sonicator UIP6000hdT або 16kW sonicator UIP16000hdT, можна легко приготувати графен з високою електропровідністю (712 S·m-1), хорошою дисперсністю та високою концентрацією. Ультразвукова обробка також дозволяє приготувати стабільну дисперсію графену за низької температури процесу приблизно 65°C.
Більше інформації та технічних деталей про промислові ультразвукові апарати Hielscher зондового типу для розшарування та дисперсії графену можна знайти тут:
- UIP1000hdT (1000 ват потужності ультразвуку)
- UIP2000hdT (2000 ват потужності ультразвуку)
- UIP4000hdT (4000 ват потужності ультразвуку)
- UIP6000hdT (6000 ват потужності ультразвуку)
- UIP16000hdT (16 000 ват потужності ультразвуку)
Усі ультразвукові апарати Hielscher дозволяють точно контролювати всі важливі параметри процесу; технологія ультразвукової дисперсії уникає пошкодження хімічних і кристалічних структур графену – в результаті чого отримуються чисті, бездефектні пластинки графену.
Потужні ультразвукові апарати Hielscher здатні обробляти графен і графіт у великих об’ємах, наприклад, для розшарування в рідкій фазі та дисперсії графену. Точний контроль над параметрами процесу дозволяє безшовно масштабувати ультразвукові процеси від лабораторного рівня до повномасштабного комерційного виробництва.
Ультразвуково розшарований багатошаровий графен з приблизно 3-4 шарами та розміром приблизно 1μm можна (пере-)диспергувати при концентраціях щонайменше 63 mg/mL.
Зображення СЕМ пластинчастих наночастинок графену при (b) X3000 та (c) X8000
(Дослідження та зображення: ©Alizadeh et al., 2018)
- високоякісний графен
- висока продуктивність / високі виходи
- рівномірна дисперсія
- висока концентрація
- високі в’язкості
- швидкий процес
- низька вартість
- високоефективний
- екологічно безпечний
7kW ультразвуковий реактор для дисперсій графену
Ультразвукові гомогенізатори та диспергатори для графену
Hielscher Ultrasonics надає високоефективні ультразвукові системи для розшарування та диспергування об’ємного шаруватого графену та графіту в одношаровий, двошаровий і малошаровий графен. Їхні надійні ультразвукові процесори та сучасні реактори забезпечують необхідну потужність і точний контроль для досягнення конкретних технологічних цілей.
Одним із найважливіших параметрів процесу є ультразвукова амплітуда, тобто вібраційне зміщення на ультразвуковому рупорі. Промислові ультразвукові апарати Hielscher розроблені для забезпечення дуже високих амплітуд із безперервною роботою до 200µm. Для ще вищих амплітуд доступні індивідуальні ультразвукові зонди. Параметри процесу всіх ультразвукових апаратів Hielscher можна точно налаштувати відповідно до необхідних умов процесу та контролювати за допомогою вбудованого програмного забезпечення, що гарантує високу надійність, стабільну якість і відтворювані результати. Надійна конструкція ультразвукових апаратів Hielscher розрахована на цілодобову роботу (24/7) у складних умовах, що робить ультразвукову обробку пріоритетною технологією для великомасштабного виробництва одношарових і малошарових нанопластин графену.
Hielscher пропонує широкий спектр ультразвукових апаратів і аксесуарів, включаючи сонотроди та реактори різних розмірів і геометрій. Це дозволяє вибирати оптимальні умови реакції та фактори, такі як реагенти, вхід ультразвукової енергії на одиницю об’єму, тиск, температура та об’ємна витрата, для досягнення найвищої якості. Їхні ультразвукові реактори можуть бути герметизовані до тиску в кілька сотень barg, що робить можливим ультразвукову обробку високоскладких паст (до 250 000 сантипуаз).
Ці можливості роблять ультразвукове розшарування, екфоліацію та диспергування кращими за традиційні техніки подрібнення та млинів.
Ультразвукові апарати Hielscher є найсучаснішими ультразвуковими гомогенізаторами на ринку. Скористайтеся численними перевагами, які надають ультразвукові апарати Hielscher!
Графіка, що візуалізує ультразвуковий синтез нанопластин графену за допомогою ультразвукового апарату UP100H
(Дослідження та графіка: Ghanem and Rehim, 2018)
Ультразвукові апарати Hielscher для графену:
- високопотужний ультразвук
- високі зсувні сили
- можливе застосування високого тиску
- точний контроль
- безшовне масштабування (лінійне)
- партійний і проточний режими
- відтворювані результати
- надійність
- міцність
- висока енергоефективність
Факти, які варто знати
Що таке графен?
Графен – це шар вуглецю завтовшки в один атом, який можна описати як одношарову або 2D-структуру графену (одношаровий графен = SLG). Графен має надзвичайно велику питому поверхню та виняткові механічні властивості (модуль Юнга 1 TPa та власна міцність 130 GPa), забезпечує високу електронну та теплову провідність, рухливість носіїв заряду, прозорість і є непроникним для газів. Завдяки цим матеріальним характеристикам графен використовується як армуюча добавка для надання композитам міцності, провідності тощо. Щоб поєднати характеристики графену з іншими матеріалами, графен повинен бути диспергований у складі або нанесений як тонкоплівкове покриття на підкладку.
До поширених розчинників, які часто використовуються як рідка фаза для диспергування нанопластин графену, належать диметилсульфоксид (DMSO) , N,N-диметилформамід (DMF), N-метил-2-піролідон (NMP), тетраметилсечовина (TMU, тетрагідрофуран (THF), пропіленкарбонат ацетон (PC), етанол і формамід.
Чи можна диспергувати графен у воді?
Так, графен можна диспергувати у воді, використовуючи поверхнево-активні речовини, полімери або інші стабілізуючі агенти для запобігання агрегації та підтримки стабільності дисперсії. Надійне обладнання для диспергування, таке як зондові ультразвукові апарати, також відіграє вирішальну роль у диспергуванні графену, використовуючи ультразвукову енергію для руйнування агломератів і зменшення розміру частинок графену, сприяючи більш однорідній і стабільній дисперсії в рідкому середовищі.
Чи може оксид графену розчинятися у воді?
Так, оксид графену може розчинятися у воді завдяки своїм кисневмісним функціональним групам, які підвищують його гідрофільність і дозволяють утворювати стабільні водні дисперсії.
Який найкращий розчинник для диспергування графену?
Найкращим розчинником для диспергування графену є N-метил-2-піролідон (NMP) завдяки його високій полярності та здатності стабілізувати листи графену, що забезпечує однорідну та стабільну дисперсію.
Чому графен нерозчинний у воді?
Графен нерозчинний у воді, оскільки він не має функціональних груп, які можуть взаємодіяти з молекулами води, що робить його гідрофобним і схильним до агрегації через сильні сили Ван-дер-Ваальса між листами графену.
Чому графен використовують у композитах?
Графен із товщиною в один атом є найтоншим, із вагою приблизно 0,77 мг на 1 м2 найлегшим, а з жорсткістю на розтяг 150 000 000 psi (у 100–300 разів міцнішим за сталь) і міцністю на розтяг 130 000 000 000 Паскалів – найміцнішим із відомих матеріалів.
Крім того, графен є найкращим теплопровідником (за кімнатної температури з (4,84±0,44) × 103 до (5,30±0,48) × 103 W·m-11·K-1) і найкращим електропровідником (рухливість електронів вища за 15 000 cm2·V-1·s-1).
Ще однією важливою характеристикою графену є його оптична властивість із поглинанням світла πα≈2,3% білого світла та його прозорий вигляд.
Включення графену в матриці дозволяє перенести ці видатні матеріальні характеристики на отриманий композит, який пропонує унікальні функціональні можливості. Такі композити, армовані графеном, відкривають нові можливості для розробки матеріалів та промислового застосування. Завдяки своїм характеристикам графен і графенові композити вже широко використовуються у виробництві високопродуктивних батарей, суперконденсаторів, провідних чорнил, покриттів, фотоелектричних систем та електронних пристроїв
Ультразвукові обробники Hielscher забезпечують необхідні високі зсувні сили для подолання сил Ван-дер-Ваальса, щоб рівномірно розподілити нанолісти графену в композитних матрицях. Для виробництва нанокомпозитів, армованих графеном та оксидом графену, використовуються ультразвукові диспергатори, такі як UIP2000hdT або UIP16000.
Література/Посилання
- 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 виробляє високоефективні ультразвукові гомогенізатори від лабораторного до промислового розміру.