Ultraäänidispergoinnin rooli grafeenin valmistuksessa

Ultraäänidispersio on luotettava menetelmä grafeenikerrosten tuottamiseksi grafiittihiutaleista tai hiukkasista. Muut yleiset dispersiotekniikat, kuten kuulamyllyt, rullamyllyt tai korkea leikkaussekoittimet, ovat alttiita aggressiivisten reagenssien ja liuottimien käytölle. Ultraäänidispersiotekniikka voi ratkaista tämän ongelman hyvin ja valmistaa grafeenimateriaaleja tehokkaasti.

Ultraäänidispersio muuntaa nesteessä olevan grafeenin dispergoituvaksi tilaksi, toisin sanoen kiinteiden aineiden tai nesteiden hienoksi tai ultrafine-ultraäänihiomaksi ultraäänivärähtelyjen vaikutuksesta johtuen. Nestemäisessä väliaineessa syntyvän ultraäänikentän spesifisyyden vuoksi ultraäänidispersio tarjoaa erittäin dispergoituneen tasaisen, kemiallisesti puhtaan suspension (hiukkaskoko alle 1 μm).

01

Grafeenin ultraäänivalmistuksen periaate

Grafeenin ultraäänivalmistus perustuu kavitaatiovaikutukseen, joten grafeenin sisällä olevaa kvanttirakennetta ei tuhota. Ultraäänikavitaatio tuottaa korkean taajuuden amplitudit suuritehoisten ultraääniaaltojen kautta. Suuritehoista ultraääntä voidaan käyttää nesteiden hoitoon, kuten sekoittamiseen, emulgointiin, dispergointiin ja deagglomerointiin tai jauhamiseen. Kun nestettä sonikoidaan suurella intensiteetillä, nestemäiseen väliaineeseen leviävät ääniaallot aiheuttavat vaihtojaksoja korkeapaineesta (puristus) ja matalapaineesta (heijastus) taajuudesta riippuvaisella nopeudella. Korkean intensiteetin ultraääniaallot matalapainesykleissä luovat pieniä tyhjiökuplia tai tyhjiä nesteeseen. Kun kuplat saavuttavat tilavuuden, jossa ne eivät voi imeä energiaa, ne romahtavat voimakkaasti korkeapainesyklissä. Tätä ilmiötä kutsutaan kavitaatioksi.

Ultraäänidispersiolaite välittää korkean taajuuden värähtelyjä nesteeseen, ja tämän mekaanisen rasituksen käyttö voi erottaa grafeenihiukkasten agglomeraatit. Kun sonikoidaan nesteitä, nestemäiseen väliaineeseen leviävät ääniaallot aiheuttavat vaihtojaksoja korkeapaineesta (puristus) ja matalapaineesta (heijastus). Ultraäänikavitaatio nesteissä johtaa jopa 1000 km / h: n (noin 600 mph) nopeisiin nestemäisiin suihkuihin. Tämä suihku puristaa nestettä korkeassa paineessa hiukkasten välillä ja erottaa grafeenin toisistaan. Pienemmät hiukkaset kiihdytetään nestemäisellä suihkulla ja törmäävät suurella nopeudella. Nopean törmäyksen aiheuttama voimakkaan iskun aalto toimii jatkuvasti grafiittirungon pinnalla, ja grafiitti heijastaa ja aiheuttaa vetojännitystä. Kun suuri määrä mikrobubbleja rikkoutuu, grafiittihiutaleiden välinen vetojännitys kasvaa jatkuvasti, ja grafeenihiutaleet kuoritaan vähitellen.

02Grafeenin kuorinta ja dispersio

Jos grafeenia käytetään materiaalina, se on ensin dispergoitu tasaisesti formulaatioon. Grafeenin hydrofobisuuden vuoksi on vaikea saada suuria pitoisuuksia grafeenidispergaatioita ilman pinta-aktiivisten aineiden tai dispergointiaineiden vakauttamista.

Grafeenin nanolevyt (GNP) voidaan valmistaa kuorimalla grafiitti liuottimessa suuritehoisella sonikaatiolla. Ultraääni kuorittu grafeeni voidaan funktionalisoida biopolymeerillä veden dispergoituvan grafeenin saamiseksi. Syntetisoitu grafeeni voidaan edelleen käsitellä stabiileiksi vesipohjaisiksi dispersioiksi ultraäänikavitaatiolla. Agglomeraatio tapahtuu helposti, kun grafeenin nanomateriaalit sekoitetaan nesteisiin, ja ultraäänidispersio voi hajottaa puristettu grafeeni vesipitoisiin ja ei-vesipitoisiin suspensioihin, mikä voi tuoda esiin nanomateriaalien täyden potentiaalin.

Grafeenioksidi liukenee vesiliukoisesti ja voidaan helposti hajottaa stabiileihin kolloideihin. Ultraääni kuorinta ja dispersio on erittäin tehokas, nopea ja kustannustehokas menetelmä syntetisoimaan, hajottamaan ja funktionisoimaan grafeenioksidia teollisessa mittakaavassa. Grafeenioksidin (GO) nanolehtien koon hallitsemiseksi kuorintamenetelmällä on keskeinen rooli. Tarkasti hallittavien prosessiparametriensa ansiosta ultraäänikuorinta on yleisimmin käytetty delaminaatiotekniikka korkealaatuisen grafeenin ja grafeenioksidin valmistukseen.

03Ultrasonic-avusteinen nestefaasin kuorinta

Nestefaasin kuorinta (LPE) on tehokas menetelmä grafeenihiutaleiden kuorintaan. Pääperiaatteena on lisätä raaka-aineena grafiittia tai grafiittioksidia tiettyyn liuottimeen tai pinta-aktiiviseen aineeseen sekoittamaan lämpökakalointia grafeenin esikäsittelyliuoksen muodostamiseksi ja käyttää sitten suuritehoisen ultraäänilaitteen lähettämiä ultraääniaaltoja grafeenin kuorimiseen grafiittipinnalta. ilmestyä.

Nestefaasin kuorintamenetelmä

Ultraääniavusteisen grafeenin kuorinnan tärkeimmät vaikuttavat tekijät ovat ultraäänikavitaatio ja korkea leikkausvoima. Ultraäänikäsittelyprosessin kavitaatio aiheuttaa liuottimeen dispergoituneen grafiitin murskaamisen ja murskaamisen. Ultraääniaaltojen leikkausvoima voi aiheuttaa sen, että liuotin muodostaa mikrosuihkuja vaikuttamaan grafiittipintaan, mikä edistää grafiittikerrosten erottamista.

04 Yhteenveto

Suuritehoisia ultraäänijärjestelmiä voidaan käyttää grafeenin ja grafeenioksidin kuorintaan, dispersioon ja valmistukseen. Luotettavat ultraääniprosessorit ja kehittyneet reaktorit tarjoavat grafeenin käsittelyyn tarvittavan tehon tarkasti valvotuilla käsittelyolosuhteilla, joiden avulla ultraäänikäsittelytulokset voidaan virittää tarkasti haluttuun käsittelykohteeseen.