Phân tán graphene bằng siêu âm
Để đưa graphene vào vật liệu composite, cần phân tán hoặc bóc tách graphene thành các tấm nano riêng lẻ, phân bố đồng đều trong toàn bộ hỗn hợp phối chế. Graphene càng được phá kết tụ triệt để thì các tính chất vật liệu vượt trội của nó càng có thể được khai thác tốt hơn. Phân tán bằng siêu âm mang lại sự phân bố hạt và độ ổn định phân tán vượt trội, ngay cả ở nồng độ và độ nhớt cao. Phương pháp này mang lại chất lượng phân tán xuất sắc, vượt xa các kỹ thuật trộn thông thường.
Phân tán graphene bằng siêu âm
Để vật liệu composite có được những đặc tính vượt trội của graphene, chẳng hạn như độ bền, graphene phải được phân tán đồng đều trong vật liệu nền hoặc được phủ thành một lớp màng mỏng lên bề mặt đế. Các yếu tố chính ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu thu được bao gồm sự kết tụ, sự lắng và mức độ phân tán trong vật liệu nền hoặc sự phân bố hạt trên bề mặt đế.
Do bản chất kỵ nước của graphene, việc tạo ra hệ phân tán ổn định và có nồng độ cao mà không sử dụng chất hoạt động bề mặt hoặc chất phân tán là một thách thức. Để thắng lực van der Waals, cần có lực cắt mạnh, có thể được tạo ra hiệu quả nhờ hiện tượng xâm thực siêu âm. Đây là phương pháp tiên tiến nhất để điều chế các hệ phân tán ổn định.
Các thiết bị siêu âm công nghiệp để phân tán graphene với năng suất xử lý cao.
Sử dụng thiết bị phân tán siêu âm, chẳng hạn như thiết bị siêu âm 2kW UIP2000hdT, thiết bị siêu âm 4kW UIP4000hdT, thiết bị siêu âm 6kW UIP6000hdT hoặc thiết bị siêu âm 16kW UIP16000hdT, có thể dễ dàng điều chế graphene có độ dẫn điện cao (712 S·m-1), khả năng phân tán tốt và nồng độ cao. Xử lý bằng siêu âm cũng cho phép điều chế hệ phân tán graphene ổn định ở nhiệt độ xử lý thấp, khoảng 65°C.
Có thể tìm thêm thông tin và các chi tiết kỹ thuật về thiết bị siêu âm dạng đầu dò công nghiệp của Hielscher dùng để bóc tách và phân tán graphene tại đây:
- UIP1000hdT (siêu âm công suất 1000 oát)
- UIP2000hdT (siêu âm công suất 2000 oát)
- UIP4000hdT (siêu âm công suất 4000 oát)
- UIP6000hdT (siêu âm công suất 6000 oát)
- UIP16000hdT (siêu âm công suất 16.000 oát)
Tất cả các thiết bị siêu âm Hielscher đều cho phép kiểm soát chính xác mọi thông số xử lý quan trọng; công nghệ phân tán bằng siêu âm tránh làm hư hại cấu trúc hóa học và cấu trúc tinh thể của graphene – tạo ra các vảy graphene nguyên vẹn, không có khuyết tật.
Các thiết bị siêu âm công suất cao của Hielscher có khả năng xử lý graphene và graphite với thể tích lớn, ví dụ như trong quá trình bóc tách pha lỏng và phân tán graphene. Khả năng kiểm soát chính xác các thông số xử lý cho phép mở rộng quy mô liền mạch các quy trình siêu âm từ quy mô thiết bị để bàn đến sản xuất thương mại toàn diện.
Graphene ít lớp được bóc tách bằng siêu âm, có khoảng 3–4 lớp và kích thước khoảng 1μm, có thể được phân tán hoặc tái phân tán ở nồng độ ít nhất 63 mg/mL.
Ảnh SEM của các phiến nano graphene ở độ phóng đại (b) X3000 và (c) X8000
(Nghiên cứu và hình ảnh: ©Alizadeh và cộng sự, 2018)
- graphene chất lượng cao
- năng suất xử lý cao / hiệu suất thu sản phẩm cao
- phân tán đồng đều
- nồng độ cao
- độ nhớt cao
- quy trình nhanh
- chi phí thấp
- hiệu quả cao
- thân thiện với môi trường
Thiết bị phản ứng siêu âm 7kW dùng cho các hệ phân tán graphene
Thiết bị đồng nhất hóa và phân tán bằng siêu âm cho graphene
Hielscher Ultrasonics cung cấp các hệ thống siêu âm công suất cao để bóc tách và phân tán graphene và graphite dạng khối nhiều lớp thành graphene đơn lớp, hai lớp và ít lớp. Các thiết bị xử lý siêu âm đáng tin cậy và thiết bị phản ứng tiên tiến của hãng cung cấp công suất cần thiết và khả năng kiểm soát chính xác để đạt được các mục tiêu xử lý cụ thể.
Một trong những thông số xử lý thiết yếu nhất là biên độ siêu âm, tức độ dịch chuyển dao động tại đầu khuếch đại siêu âm. Các thiết bị siêu âm công nghiệp của Hielscher được thiết kế để tạo ra biên độ rất cao, với khả năng vận hành liên tục ở biên độ lên đến 200µm. Đối với biên độ cao hơn nữa, có các đầu dò siêu âm được chế tạo theo yêu cầu. Các thông số xử lý của tất cả thiết bị siêu âm Hielscher đều có thể được điều chỉnh chính xác theo điều kiện xử lý yêu cầu và được giám sát qua phần mềm tích hợp, bảo đảm độ tin cậy cao, chất lượng đồng nhất và kết quả có thể tái lập. Thiết kế bền chắc của các thiết bị siêu âm Hielscher đáp ứng khả năng vận hành 24/7 trong môi trường khắc nghiệt, khiến xử lý siêu âm trở thành công nghệ được ưu tiên để sản xuất các tấm nano graphene đơn lớp và ít lớp ở quy mô lớn.
Hielscher cung cấp nhiều loại thiết bị siêu âm và phụ kiện, bao gồm các đầu sonotrode và thiết bị phản ứng có kích thước và hình dạng khác nhau. Điều này cho phép lựa chọn các điều kiện và yếu tố phản ứng tối ưu, chẳng hạn như thuốc thử, năng lượng siêu âm đưa vào trên một đơn vị thể tích, áp suất, nhiệt độ và lưu lượng, để đạt chất lượng cao nhất. Các thiết bị phản ứng siêu âm của hãng có thể được tăng áp lên đến vài trăm barg, cho phép xử lý siêu âm các hỗn hợp nhão có độ nhớt cao (lên đến 250.000 centipoise).
Những khả năng này giúp quá trình tách lớp, bóc tách và phân tán bằng siêu âm vượt trội so với các kỹ thuật nghiền và nghiền mịn thông thường.
Các thiết bị siêu âm Hielscher là những thiết bị đồng nhất hóa siêu âm tinh vi nhất trên thị trường. Hãy tận dụng vô số lợi ích mà các thiết bị siêu âm Hielscher mang lại!
Hình minh họa quá trình tổng hợp các phiến nano graphene bằng siêu âm sử dụng thiết bị siêu âm UP100H
(Nghiên cứu và hình minh họa: Ghanem và Rehim, 2018)
Thiết bị siêu âm Hielscher dành cho graphene:
- siêu âm công suất cao
- lực cắt lớn
- có thể áp dụng áp suất cao
- kiểm soát chính xác
- khả năng mở rộng quy mô liền mạch (tuyến tính)
- xử lý theo mẻ và dòng chảy liên tục
- kết quả có thể tái lập
- độ tin cậy
- độ bền chắc
- hiệu suất năng lượng cao
Những thông tin đáng biết
Graphene là gì?
Graphene là một lớp carbon có độ dày một nguyên tử, có thể được mô tả là cấu trúc graphene đơn lớp hoặc hai chiều (graphene đơn lớp = SLG). Graphene có diện tích bề mặt riêng lớn vượt trội và các tính chất cơ học ưu việt (mô đun Young 1 TPa và độ bền nội tại 130 GPa), có khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt rất tốt, độ linh động hạt tải điện cao, độ trong suốt cao và không thấm khí. Nhờ những đặc tính vật liệu này, graphene được sử dụng làm phụ gia gia cường để mang lại cho vật liệu composite độ bền, khả năng dẫn điện, v.v. Để kết hợp các đặc tính của graphene với các vật liệu khác, graphene phải được phân tán vào hỗn hợp hoặc được phủ lên chất nền dưới dạng màng mỏng.
Các dung môi phổ biến thường được sử dụng làm pha lỏng để phân tán các tấm nano graphene bao gồm dimethyl sulfoxide (DMSO) , N,N-dimethylformamide (DMF), N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), tetramethylurea (TMU, tetrahydrofuran (THF), propylene carbonateacetone (PC), ethanol và formamide.
Có thể phân tán graphene trong nước không?
Có, graphene có thể được phân tán trong nước bằng cách sử dụng chất hoạt động bề mặt, polymer hoặc các chất ổn định khác để ngăn ngừa sự kết tụ và duy trì độ ổn định của hệ phân tán. Các thiết bị phân tán đáng tin cậy như thiết bị siêu âm dạng đầu dò cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình phân tán graphene bằng cách sử dụng năng lượng siêu âm để phá vỡ các khối kết tụ và giảm kích thước hạt graphene, giúp tạo ra hệ phân tán đồng đều và ổn định hơn trong môi trường lỏng.
Graphene oxide có thể hòa tan trong nước không?
Có, graphene oxide có thể hòa tan trong nước nhờ các nhóm chức chứa oxy, giúp tăng tính ưa nước và cho phép nó tạo thành các hệ phân tán ổn định trong nước.
Dung môi nào tốt nhất để phân tán graphene?
Dung môi tốt nhất để phân tán graphene là N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) nhờ độ phân cực cao và khả năng ổn định các tấm graphene, tạo ra hệ phân tán đồng đều và ổn định.
Tại sao graphene không tan trong nước?
Graphene không tan trong nước vì thiếu các nhóm chức có thể tương tác với các phân tử nước, khiến graphene có tính kỵ nước và dễ kết tụ do lực van der Waals mạnh giữa các tấm graphene.
Tại sao graphene được sử dụng trong vật liệu composite?
Graphene là vật liệu mỏng nhất với độ dày một nguyên tử, nhẹ nhất với khối lượng khoảng 0,77 mg trên 1m2 , và bền nhất từng được biết đến với độ cứng kéo 150.000.000 psi (bền hơn thép 100–300 lần) và độ bền kéo 130.000.000.000 pascal.
Ngoài ra, graphene là chất dẫn nhiệt tốt nhất (ở nhiệt độ phòng với độ dẫn nhiệt từ (4,84±0,44) × 103 đến (5,30±0,48) × 103 W·m-11·K-1) và là chất dẫn điện tốt nhất (độ linh động electron cao hơn 15.000 cm2·V-1·s-1).
Một đặc tính quan trọng khác của graphene là tính chất quang học với khả năng hấp thụ ánh sáng ở mức πα≈2,3% ánh sáng trắng và vẻ ngoài trong suốt.
Bằng cách đưa graphene vào các nền vật liệu, những đặc tính vật liệu vượt trội này có thể được truyền sang vật liệu composite thu được, mang lại những chức năng độc đáo. Các vật liệu composite được gia cường bằng graphene như vậy mở ra những khả năng mới cho việc phát triển vật liệu và các ứng dụng công nghiệp. Nhờ các đặc tính của mình, graphene và vật liệu composite chứa graphene đã được sử dụng rộng rãi trong sản xuất pin hiệu suất cao, siêu tụ điện, mực dẫn điện, lớp phủ, hệ thống quang điện và thiết bị điện tử
Các thiết bị siêu âm Hielscher cung cấp lực cắt cao cần thiết để thắng lực van der Waals nhằm phân bố đồng đều các tấm nano graphene trong nền vật liệu composite. Các thiết bị phân tán siêu âm như UIP2000hdT hoặc UIP16000 được sử dụng để sản xuất vật liệu composite nano được gia cường bằng graphene và graphene oxit.
Tài liệu/Tài liệu tham khảo
- 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 sản xuất các thiết bị đồng nhất hóa siêu âm hiệu suất cao từ quy mô phòng thí nghiệm đến quy mô công nghiệp.