Le rôle de la dispersion ultrasonique dans la préparation du graphène

La dispersion ultrasonique est une méthode fiable pour produire des couches de graphène à partir de flocons ou de particules de graphite. D’autres techniques de dispersion courantes telles que les broyeurs à billes, les laminoirs ou les mélangeurs à haut cisaillement sont sensibles à l’utilisation de réactifs et de solvants agressifs. La technologie de dispersion par ultrasons peut bien surmonter ce problème et préparer efficacement les matériaux en graphène.

La dispersion ultrasonique transforme le graphène liquide en un état dispersé, c’est-à-dire un broyage ultrasonique fin ou ultrafin de solides ou de fluides en raison de l’effet des vibrations ultrasonores. En raison de la spécificité du champ ultrasonique généré dans le milieu liquide, la dispersion ultrasonique fournit une suspension uniforme et chimiquement pure très dispersée (taille des particules inférieure à 1 μm).

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Le principe de la préparation ultrasonique du graphène

La préparation ultrasonique du graphène est basée sur l’effet de cavitation, de sorte que la structure quantique à l’intérieur du graphène ne sera pas détruite. La cavitation ultrasonique génère des amplitudes à haute fréquence grâce à des ondes ultrasonores de haute puissance. Les ultrasons de haute puissance peuvent être utilisés pour le traitement de liquides tels que le mélange, l’émulsification, la dispersion et la désagglomération ou le broyage. Lorsqu’un liquide est soniqué à haute intensité, les ondes sonores qui se propagent dans le milieu liquide provoquent des cycles alternés de haute pression (compression) et de basse pression (réflexion) à une vitesse qui dépend de la fréquence. Les ondes ultrasonores de haute intensité dans les cycles à basse pression créent de petites bulles de vide ou des vides dans le liquide. Lorsque les bulles atteignent un volume où elles ne peuvent pas absorber l’énergie, elles s’effondrent violemment dans le cycle de haute pression. Ce phénomène est appelé cavitation.

Le dispositif de dispersion à ultrasons transmet des vibrations à haute fréquence dans le liquide, et l’application de cette contrainte mécanique peut séparer les agglomérats des particules de graphène. Lors de la sonicisation des liquides, les ondes sonores se propageant dans le milieu liquide provoquent des cycles alternés de haute pression (compression) et de basse pression (réflexion). La cavitation ultrasonique dans les liquides entraîne des jets de liquide à grande vitesse allant jusqu’à 1000 km / h (environ 600 mph). Ce jet comprime le liquide à haute pression entre les particules et sépare le graphène les uns des autres. Les particules plus petites sont accélérées avec le jet de liquide et entrent en collision à grande vitesse. L’onde de choc de haute intensité générée par la collision à grande vitesse agit continuellement à la surface du corps en graphite, et le graphite se reflétera et générera une contrainte de traction. Lorsqu’un grand nombre de microbulles sont brisées, la contrainte de traction entre les flocons de graphite augmente continuellement et les flocons de graphène sont progressivement exfoliés.

02Exfoliation et dispersion du graphène

Si le graphène doit être utilisé comme matériau, il doit d’abord être uniformément dispersé dans la formulation. En raison de l’hydrophobicité du graphène, il est difficile d’obtenir des dispersions de graphène à haute concentration sans la stabilisation des tensioactifs ou des dispersants.

Les nanofeuilles de graphène (PNB) peuvent être fabriquées en exfoliant le graphite dans un solvant par sonication à haute puissance. Le graphène exfolié par ultrasons peut être fonctionnalisé avec des biopolymères pour obtenir du graphène dispersable dans l’eau. Le graphène synthétisé peut ensuite être transformé en dispersions stables à base d’eau par cavitation ultrasonique. L’agglomération se produit facilement lorsque des nanomatériaux de graphène sont mélangés à des liquides, et la dispersion ultrasonique peut briser le graphène aggloméré en suspensions aqueuses et non aqueuses, ce qui peut faire ressortir tout le potentiel des nanomatériaux.

L’oxyde de graphène est soluble dans l’eau et peut être facilement dispersé en colloïdes stables. L’exfoliation et la dispersion par ultrasons sont une méthode très efficace, rapide et rentable pour synthétiser, disperser et fonctionnaliser l’oxyde de graphène à l’échelle industrielle. Pour contrôler la taille des nanofeuilles d’oxyde de graphène (GO), la méthode d’exfoliation joue un rôle clé. En raison de ses paramètres de processus contrôlables avec précision, l’exfoliation par ultrasons est la technique de délamination la plus largement utilisée pour la production de graphène et d’oxyde de graphène de haute qualité.

03Exfoliation en phase liquide assistée par ultrarasonique

L’exfoliation en phase liquide (PEB) est une méthode efficace d’exfoliation des flocons de graphène. Le principe principal est d’ajouter du graphite ou de l’oxyde de graphite comme matière première à un solvant ou un tensioactif spécifique pour remuer l’intercalation thermique pour former une solution de prétraitement du graphène, puis d’utiliser les ondes ultrasonores émises par un dispositif à ultrasons de haute puissance pour peler le graphène de la surface du graphite. sortir.

Procédé de peeling en phase liquide

Les principaux facteurs d’influence de l’exfoliation du graphène assistée par ultrasons sont la cavitation ultrasonique et la force de cisaillement élevée. La cavitation dans le processus de traitement par ultrasons provoque le graphite dispersé dans le solvant à être broyé et broyé. La force de cisaillement des ondes ultrasonores peut amener le solvant à former des micro-jets pour impacter la surface du graphite, ce qui favorise la séparation des couches de graphite.

04Résumé

Les systèmes à ultrasons de haute puissance peuvent être utilisés pour l’exfoliation, la dispersion et la préparation du graphène et de l’oxyde de graphène. Des processeurs à ultrasons fiables et des réacteurs avancés fournissent la puissance requise pour le traitement du graphène, avec des conditions de traitement contrôlées avec précision qui permettent aux résultats du traitement par ultrasons d’être réglés avec précision sur la cible de traitement souhaitée.