Die Rolle der Ultraschalldispersion bei der Graphenherstellung

Die Ultraschalldispersion ist eine zuverlässige Methode zur Herstellung von Graphenschichten aus Graphitflocken oder Partikeln. Andere gängige Dispergiertechniken wie Kugelmühlen, Walzwerke oder Hochschermischer sind anfällig für den Einsatz aggressiver Reagenzien und Lösungsmittel. Die Ultraschall-Dispersionstechnologie kann dieses Problem gut lösen und Graphenmaterialien effizient vorbereiten.

Die Ultraschalldispersion wandelt Graphen in Flüssigkeit in einen dispergierten Zustand um, dh feines oder ultrafeines Ultraschallmahlen von Feststoffen oder Flüssigkeiten aufgrund der Wirkung von Ultraschallvibrationen. Aufgrund der Spezifität des im flüssigen Medium erzeugten Ultraschallfeldes liefert die Ultraschalldispersion eine hochdispersive, gleichmäßige, chemisch reine Suspension (Partikelgröße weniger als 1 μm).

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Das Prinzip der Ultraschallpräparation von Graphen

Die Ultraschallpräparation von Graphen basiert auf dem Kavitationseffekt, so dass die Quantenstruktur im Graphen nicht zerstört wird. Ultraschallkavitation erzeugt hochfrequente Amplituden durch Hochleistungs-Ultraschallwellen. Hochleistungsultraschall kann für die Behandlung von Flüssigkeiten wie Mischen, Emulgieren, Dispergieren und Desagglomerieren oder Mahlen verwendet werden. Wenn eine Flüssigkeit mit hoher Intensität beschallt wird, verursachen Schallwellen, die sich in das flüssige Medium ausbreiten, abwechselnde Zyklen von hohem Druck (Kompression) und niedrigem Druck (Reflexion) mit einer Frequenzabhängigen Geschwindigkeit. Hochintensive Ultraschallwellen in Niederdruckzyklen erzeugen kleine Vakuumblasen oder Hohlräume in der Flüssigkeit. Wenn die Blasen ein Volumen erreichen, in dem sie die Energie nicht aufnehmen können, kollabieren sie im Hochdruckzyklus heftig. Dieses Phänomen wird Kavitation genannt.

Das Ultraschall-Dispersionsgerät überträgt hochfrequente Schwingungen in die Flüssigkeit, und die Anwendung dieser mechanischen Spannung kann die Agglomerate der Graphenpartikel trennen. Bei der Beschallung von Flüssigkeiten verursachen Schallwellen, die sich in das flüssige Medium ausbreiten, abwechselnde Zyklen von hohem Druck (Kompression) und niedrigem Druck (Reflexion). Ultraschallkavitation in Flüssigkeiten führt zu Hochgeschwindigkeits-Flüssigkeitsstrahlen von bis zu 1000 km / h (etwa 600 mph). Dieser Strahl drückt die Flüssigkeit mit hohem Druck zwischen die Partikel und trennt das Graphen voneinander. Kleinere Teilchen werden mit dem Flüssigkeitsstrahl beschleunigt und kollidieren mit hoher Geschwindigkeit. Die durch die Hochgeschwindigkeitskollision erzeugte hochintensive Stoßwelle wirkt kontinuierlich auf die Oberfläche des Graphitkörpers, und der Graphit reflektiert und erzeugt Zugspannungen. Wenn eine große Anzahl von Mikrobläschen gebrochen wird, steigt die Zugspannung zwischen den Graphitflocken kontinuierlich an und die Graphenflocken werden allmählich abgeblättert.

02Exfoliation und Dispersion von Graphen

Soll Graphen als Material verwendet werden, muss es zunächst gleichmäßig in der Formulierung dispergiert sein. Aufgrund der Hydrophobie von Graphen ist es schwierig, hochkonzentrierte Graphendispersionen ohne die Stabilisierung von Tensiden oder Dispergiermitteln zu erhalten.

Graphen-Nanoblätter (GNPs) können durch Peeling von Graphit in einem Lösungsmittel durch Hochleistungsschallung hergestellt werden. Ultraschall-exfoliertes Graphen kann mit Biopolymeren funktionalisiert werden, um wasserdispergierbares Graphen zu erhalten. Das synthetisierte Graphen kann durch Ultraschallkavitation zu stabilen Dispersionen auf Wasserbasis weiterverarbeitet werden. Agglomeration tritt leicht auf, wenn Graphen-Nanomaterialien in Flüssigkeiten gemischt werden, und Ultraschalldispersion kann das agglomerierte Graphen in wässrigen und nicht-wässrigen Suspensionen aufbrechen, was das volle Potenzial von Nanomaterialien zum Vorschein bringen kann.

Graphenoxid ist wasserlöslich und kann leicht in stabile Kolloide dispergiert werden. Ultraschall-Peeling und -Dispersion ist eine sehr effiziente, schnelle und kostengünstige Methode zur Synthese, Dispergierung und Funktionalisierung von Graphenoxid im industriellen Maßstab. Um die Größe von Graphenoxid (GO)-Nanoblättern zu kontrollieren, spielt die Peeling-Methode eine Schlüsselrolle. Aufgrund seiner präzise steuerbaren Prozessparameter ist das Ultraschall-Peeling die am weitesten verbreitete Delaminierungstechnik zur Herstellung von hochwertigem Graphen und Graphenoxid.

03Ultrasonisch unterstütztes Flüssigphasenpeeling

Das Flüssigphasenpeeling (LPE) ist eine effiziente Methode zum Peeling von Graphenflocken. Das Hauptprinzip besteht darin, Graphit oder Graphitoxid als Rohstoff zu einem bestimmten Lösungsmittel oder Tensid hinzuzufügen, um die thermische Interkalation zu einer Graphenvorbehandlungslösung zu rühren, und dann die Ultraschallwellen zu verwenden, die von einem Hochleistungs-Ultraschallgerät emittiert werden, um das Graphen von der Graphitoberfläche zu schälen. Komm raus.

Flüssigphasen-Peeling-Methode

Die Haupteinflussfaktoren des ultraschallunterstützten Graphen-Peelings sind Ultraschallkavitation und hohe Scherkraft. Die Kavitation im Ultraschallbehandlungsprozess bewirkt, dass der im Lösungsmittel dispergierte Graphit zerkleinert und zerkleinert wird. Die Scherkraft von Ultraschallwellen kann dazu führen, dass das Lösungsmittel Mikrodüsen bildet, die auf die Graphitoberfläche auftreffen, was die Trennung von Graphitschichten fördert.

04Zusammenfassung

Hochleistungs-Ultraschallsysteme können für das Peeling, die Dispersion und die Herstellung von Graphen und Graphenoxid verwendet werden. Zuverlässige Ultraschallprozessoren und fortschrittliche Reaktoren liefern die für die Graphenverarbeitung erforderliche Leistung mit präzise kontrollierten Verarbeitungsbedingungen, die es ermöglichen, die Ultraschallverarbeitungsergebnisse genau auf das gewünschte Verarbeitungsziel abzustimmen.