Ultraäänidispersion rooli grafeenin valmistuksessa
Ultraäänidispersio on luotettava menetelmä grafeenikerrosten tuottamiseksi grafiittihiutaleista tai hiukkasista. Muut yleiset dispersiotekniikat (kuten kuulamyllyt, valssimyllyt tai suuritehoiset sekoittimet) ovat alttiita aggressiivisten reagenssien ja liuottimien käytölle. Ultraäänidispersiotekniikka voi hyvin voittaa tämän ongelman ja valmistaa tehokkaasti grafeenimateriaaleja.
Ultraäänigrafeenidispersio
Ultraäänidispersio muuttaa nesteessä olevan grafeenin hajautettuun tilaan, toisin sanoen kiinteiden tai nesteiden hienoon tai erittäin hienoon ultraäänihiontaan ultraäänivärähtelyn vaikutuksesta. Nestemäisessä väliaineessa syntyvän ultraäänikentän erityispiirteiden vuoksi ultraäänidispersio antaa erittäin hajautetun tasaisen, kemiallisesti puhtaan suspension (hiukkaskoko alle 1 μm).
Grafeenin ultraäänivalmisteen periaate
Grafeenin ultraäänivalmistus perustuu kavitaatiovaikutukseen, joten grafeenin sisällä oleva kvanttirakenne ei tuhoutu. Ultraäänikavitaatio voi tuottaa suurtaajuisen amplitudin suuritehoisella ultraäänellä. Suuritehoista ultraääntä voidaan käyttää nesteen käsittelyyn, kuten sekoittamiseen, emulgointiin, dispergointiin ja agglomeroitumiseen tai jauhamiseen. Kun nestettä sonikoidaan suurella voimakkuudella, nestemäiseen väliaineeseen etenevät ääniaallot aiheuttavat vuorotellen korkean paineen (puristus) ja matalan paineen (heijastus) jaksoja, nopeus riippuu taajuudesta. Matalapainesyklissä korkean intensiteetin ultraääni luo pieniä tyhjiökuplia tai tyhjiöitä nesteeseen. Kun kuplat saavuttavat tilavuuden, joka ei pysty absorboimaan energiaa, ne romahtavat voimakkaasti korkeapainesyklin aikana. Tätä ilmiötä kutsutaan kavitaatioksi.
Kavitaatio
Ultraäänidispersiolaitteet välittävät suurtaajuiset värähtelyt nesteeseen, ja tämän mekaanisen rasituksen soveltaminen voi erottaa grafeenihiukkasten agglomeraation. Kun neste käsitellään ultraäänellä, nestemäiseen väliaineeseen etenevät ääniaallot aiheuttavat korkean paineen (puristus) ja matalan paineen (heijastus) vuorotellen. Nesteen ultraäänikavitaatio voi aiheuttaa nopeita nestesuihkuja jopa 1000 km / h (noin 600 mph). Tämä suihku puristaa nesteen suuressa paineessa hiukkasten väliin ja erottaa grafeenin toisistaan. Pienemmät hiukkaset kiihtyvät nestesuihkun kanssa ja törmäävät suurella nopeudella. Nopean törmäyksen synnyttämä voimakas iskuaalto vaikuttaa jatkuvasti grafiittikappaleen pintaan, ja grafiitti heijastaa ja tuottaa vetojännitystä. Kun suuri määrä mikrokuplia räjähtää, vetolujuus grafiittihiutaleiden välillä kasvaa edelleen ja grafeenihiutaleet irtoavat vähitellen.
Grafeenin kuorinta ja dispersio
Jos grafeenia käytetään materiaalina, grafeeni on ensin dispergoitava tasaisesti formulaatioon. Koska grafeeni on hydrofobista, on vaikea saada korkean pitoisuuden grafeenidispersioita ilman pinta-aktiivisia aineita tai dispergointiaineita.
Grafeeninanolevyt (GNP) voidaan valmistaa kuorimalla grafiitti liuottimessa suuritehoisella ultraäänikäsittelyllä. Ultraäänikuorittu grafeeni voidaan funktionalisoida biopolymeerien kanssa veteen dispergoituvan grafeenin saamiseksi. Ultraäänikavitaation avulla syntetisoitu grafeeni voidaan edelleen prosessoida stabiiliksi vesipohjaiseksi dispersioksi. Se on helppo agglomeroitua, kun grafeeninanometrejä sekoitetaan nesteeseen. Ultraäänidispersio voi rikkoa grafeenin, joka on agglomeroitunut veteen ja vedettömiin suspensioihin, ja voi käyttää nanomateriaalien täyttä potentiaalia.
Grafeenioksidi on vesiliukoinen ja se voidaan helposti dispergoida stabiiliin kolloidiin. Ultraäänikuorinta ja -dispersio on erittäin tehokas, nopea ja kustannustehokas menetelmä, joka voi syntetisoida, dispergoida ja funktionalisoida grafeenioksidia teollisessa mittakaavassa. Grafeenioksidin (GO) nanolevyjen koon hallitsemiseksi kuorintamenetelmällä on keskeinen rooli. Tarkkojen ja hallittavien prosessiparametrien ansiosta ultraäänikuorinta on yleisimmin käytetty kerrostustekniikka korkealaatuisen grafeenin ja grafeenioksidin tuotannossa.
Grafeeni
Ultraääni-avustama nestemäinen kuorinta
Nestemäinen kuorinta (LPE) on tehokas menetelmä grafeenihiutaleiden kuorintaan. Tärkein periaate on lisätä grafiitti tai grafiittioksidi raaka-aineeksi tiettyyn liuottimeen tai pinta-aktiiviseen aineeseen kuuman interkalointikerroksen sekoittamiseksi grafeenin esikäsittelyliuoksen muodostamiseksi ja käyttää sitten suuritehoisen ultraäänilaitteen lähettämiä ultraääniaaltoja grafeeni grafiitin pinnalta. tule ulos.
Nestemäisen kuorinnan menetelmä
Tärkeimmät ultraääniavusteisen grafeenikuorinnan vaikuttavat tekijät ovat ultraääniaaltojen kavitaatio ja suuri leikkausvoima. Kavitaatio ultraäänikäsittelyn aikana aiheuttaa liuottimeen dispergoidun grafiitin murskaamisen. Ultraääniaaltojen leikkausvoima voi saada liuottimen muodostamaan mikrosuihkut vaikuttamaan grafiitin pintaan ja edistämään grafiittikerrosten erottamista.
Yhteenvetona
Suuritehoista ultraäänijärjestelmää voidaan käyttää grafeenin ja grafeenioksidin kuorintaan, dispergointiin ja valmistukseen. Luotettavat ultraääniprosessorit ja edistyneet reaktorit voivat tuottaa grafeenin käsittelyyn tarvittavan tehon ja hallita tarkasti käsittelyolosuhteita, jotta ultraäänikäsittelyn tulokset voidaan säätää tarkasti vaadittuihin käsittelykohteisiin.
