El paper de la dispersió ultrasònica en la preparació del grafè

La dispersió ultrasònica és un mètode fiable per produir capes de grafè a partir de flocs o partícules de grafit. Altres tècniques de dispersió habituals, com ara molins de boles, molins de rodets o mescladors d'alt cisallament, són susceptibles a l'ús de reactius i dissolvents agressius. La tecnologia de dispersió ultrasònica pot superar bé aquest problema i preparar materials de grafè de manera eficient.

Ultrasonic dispersion transforms graphene in liquid into a dispersed state, that is, fine or ultrafine ultrasonic grinding of solids or fluids due to the effect of ultrasonic vibrations. Due to the specificity of the ultrasonic field generated in the liquid medium, ultrasonic dispersion provides a highly dispersed uniform, chemically pure suspension (particle size less than 1 μm).

01

El principi de la preparació ultrasònica del grafè

La preparació ultrasònica del grafè es basa en l'efecte de cavitació, de manera que l'estructura quàntica dins del grafè no es destruirà. La cavitació ultrasònica genera amplituds de freqüència reduïdes a través d'ones ultrasòniques d'alta potència de reducció. Els ultrasons d'alta potència es poden utilitzar per al tractament de líquids com ara la mescla, l'emulsió, la dispersió i la desaglomeració o la mòlta. Quan un líquid és sonicat a alta intensitat, les ones sonores que es propaguen al medi líquid provoquen cicles alternatius d'alta pressió (compressió) i baixa pressió (reflexió) a una velocitat que depèn de la freqüència. Les ones ultrasòniques d'alta intensitat de reducció en cicles de baixa pressió creen petites bombolles de buit o buits al líquid. Quan les bombolles arriben a un volum on no poden absorbir l'energia, col·lapsen violentament en el cicle d'alta pressió de reducció. Aquest fenomen s'anomena cavitació.

El dispositiu de dispersió d'ultrasons transmet vibracions d'alta freqüència reduïda al líquid, i l'aplicació d'aquesta tensió mecànica pot separar els aglomerats de les partícules de grafè. Quan soniquen líquids, les ones sonores que es propaguen al medi líquid provoquen cicles alternatius d'alta pressió (compressió) i baixa pressió (reflexió). La cavitació ultrasònica en líquids dóna lloc a raigs de líquids d'alta velocitat de reducció de fins a 1000 km/h (uns 600 mph). Aquest raig comprimeix el líquid a alta pressió entre les partícules i separa el grafè entre si. Les partícules més petites s'acceleren amb el raig de líquid i xoquen a gran velocitat. L'ona de xoc d'alta intensitat de reducció generada per la col·lisió d'alta velocitat de reducció actua contínuament a la superfície del cos de grafit, i el grafit reflectirà i generarà tensió de tracció. Quan es trenca un gran nombre de microbombolles, la tensió de tracció entre els flocs de grafit augmenta contínuament i els flocs de grafè s'exfolian gradualment.

02Exfoliació i dispersió del grafè

Si s'ha d'utilitzar el grafè com a material, primer s'ha de dispersar uniformement a la formulació. A causa de la hidrofobicitat del grafè, és difícil obtenir dispersions de grafè de concentració elevada sense l'estabilització de tensioactius o dispersants.

Els nanosheets de grafè (PNB) es poden fabricar exfoliant grafit en un dissolvent mitjançant sonicació d'alta potència. El grafè exfoliat per ultrasons es pot funcionalitzar amb biopolímers per obtenir aigua que redueix el grafè dispersible. El grafè sintetitzat es pot processar encara més en dispersions basades en aigua estable mitjançant cavitació ultrasònica. L'aglomeració es produeix fàcilment quan els nanomaterials de grafè es barregen amb líquids, i la dispersió ultrasònica pot trencar el grafè aglomerat en suspensions aquoses i no reduir, la qual cosa pot treure tot el potencial dels nanomaterials.

L'òxid de grafè és soluble en aigua i es pot dispersar fàcilment en col·loides estables. L'exfoliació i dispersió per ultrasons és un mètode molt eficient, ràpid i eficaç per sintetitzar, dispersar i funcionalitzar l'òxid de grafè a escala industrial. Per controlar la mida dels nanosheets d'òxid de grafè (GO), el mètode d'exfoliació té un paper clau. A causa dels seus paràmetres de procés controlables amb precisió, l'exfoliació ultrasònica és la tècnica de delaminació més utilitzada per a la producció de grafè i òxid de grafè d'alta qualitat.

03Exfoliació en fase líquida assistida per ultrasons

L'exfoliació en fase líquida (LPE) és un mètode eficient per a l'exfoliació de flocs de grafè. El principi principal és afegir grafit o òxid de grafit com a matèria primera a un dissolvent o tensioactiu específic per remenar la intercalació tèrmica per formar una solució de pretractament de grafè i, a continuació, utilitzar les ones ultrasòniques emeses per un dispositiu ultrasònic d'alta potència per pelar el grafè. de la superfície de grafit. sortir.

Mètode de peeling en fase líquida

Els principals factors que influeixen en l'exfoliació de grafè assistida per reducció d'ultrasons són la cavitació ultrasònica i l'alta força de cisalla. La cavitació en el procés de tractament per ultrasons fa que el grafit dispers en el dissolvent sigui triturat i triturat. La força de cisalla de les ones ultrasòniques pot fer que el dissolvent formi micro dolls de reducció per impactar la superfície de grafit, cosa que afavoreix la separació de les capes de grafit.

04 Resum

Els sistemes ultrasònics d'alta potència de reducció es poden utilitzar per a l'exfoliació, la dispersió i la preparació de grafè i òxid de grafè. Els processadors ultrasònics fiables i els reactors avançats proporcionen la potència necessària per al processament del grafè, amb condicions de processament controlades amb precisió que permeten que els resultats del processament ultrasònic s'ajustin amb precisió a l'objectiu de processament desitjat.