Hvad er ultralyds grafendispersion?

Hvad er ultralyds grafendispersion?

Ultralydsgrafendispersion udnytter kavitationseffekten genereret af ultralyd i en væske til at bryde van der Waals-kræfterne mellem grafenplader og derved ensartet og stabilt sprede dem i et opløsningsmiddel.

Kerneprincip : Den fantastiske kavitationseffekt

Voldsom implosion af bobler: Når ultralyd med høj intensitet forplanter sig i en væske, genererer den skiftende høj- og lavtrykscyklusser. I lavtryksfasen dannes der talrige små vakuumbobler (kavitationsbobler) i væsken. Med kontinuerlig input af lydenergi vokser disse bobler, indtil de brister voldsomt og imploderer-agtigt under højtryksfasen.

Ekstrem og lille energifrigivelse: Sprængningen af ​​hver kavitationsboble er et øjeblik med meget koncentreret energi. Denne proces genererer ekstreme forhold i mikroskopisk skala:

Lokale øjeblikkelige høje temperaturer kan nå over 1000°C.

Lokale øjeblikkelige højtryk kan nå 500 atm (ca. 50 MPa).

Den genererer mikrojetfly med hastigheder op til 1000 km/t og kraftige chokbølger.

At bryde grafenaggregation op: Van der Waals-kræfter eksisterer naturligt mellem grafenplader, hvilket gør dem ekstremt tilbøjelige til aggregering. Ultralydspredning udnytter den kraftige mekaniske kraft, der genereres af den førnævnte kavitationseffekt til at 'ryste' de aggregerede grafenpartikler fra hinanden, overvinde van der Waals-kræfterne og redispergere dem i uafhængige monolag.

Fordele ved Ultrasonic Dispersion

Høj kvalitet og effektivitet: Som en fysisk eksfolieringsmetode undgår ultralydsdispersion de stærke syrer og oxidanter, der bruges i traditionelle redoxmetoder, hvilket bedre beskytter den originale gitterstruktur og fremragende iboende ledningsevne af grafen.

Høj kontrollerbarhed: Ved præcist at justere parametre som ultralydseffekt, frekvens, tid og temperatur, kan spredningseffekten kontrolleres nøjagtigt for at tilpasse sig behovene i forskellige scenarier.

Grøn og miljøvenlig: Hele dispergeringsprocessen kræver ingen eller kun en lille mængde kemiske reagenser, hvilket gør det til en miljøvenlig teknologi.

Nøgleprocesparametre

Ultralydseffekt: Power bestemmer direkte intensiteten af ​​kavitationseffekten. Forøgelse af kraften inden for et bestemt område kan forbedre spredningseffekten, men hvis kraften er for høj, kan det beskadige grafenarkene, mens de eksfolieres. I laboratorieoperationer anbefales det ofte gradvist at øge effekten fra 30 % til 60 % for at observere effekten.

Ultralydstid: Forlængelse af ultralydstiden er gavnlig for fuld eksfoliering og spredning af grafen. Men alt for lange behandlingstider kan også medføre kantfejl og endda forårsage mere alvorlige strukturelle skader. En undersøgelse viste, at ved en effekt på 960 W opnåede ultralydbehandling i 4 timer en god spredningseffekt. Ultralydsfrekvens: Grafendispersion bruger typisk industrielt eller laboratorieultralydsudstyr med frekvenser i området 19-26 kHz.

Temperaturkontrol: Kavitation genererer varme, og for høje temperaturer kan påvirke spredningen og endda beskadige varmefølsomme opløsningsmidler eller additiver. Derfor er et kølesystem ofte påkrævet i praksis for at kontrollere prøvetemperaturen inden for et passende område.

Vigtigste anvendelsesområder: Ultralydsgrafendispersionsteknologi har vigtige anvendelser inden for adskillige banebrydende områder.

Materialevidenskab: Bruges til at fremstille højtydende grafenkompositmaterialer. For eksempel kan ensartet dispergering af grafen i polymermatricer såsom gummi og plast forbedre materialernes elektriske ledningsevne, termiske ledningsevne og mekaniske egenskaber markant.

Energi: I energilagringsenheder som lithium-ion-batterier og superkondensatorer kan ensartet spredt grafen tjene som et ledende additiv, der opbygger et højeffektivt ledende netværk og derved forbedre batteriets opladnings-/afladningshastighed og cykluslevetid.

Biomedicin: Bruges til at fremstille grafen-baserede lægemiddelbærere. Ultralydspredningsteknologi kan opnå effektiv lægemiddelbelastning og kontrolleret frigivelse. Derudover bruges ultralyd selv ofte til celleforstyrrelser for at udvinde intracellulære biomolekyler såsom proteiner og DNA.

Miljøvidenskab: Kavitationseffekten genereret af ultralyd kan ikke kun sprede materialer, men den høje temperatur og det høje tryk, der genereres under dets afbrydelse, kan også direkte nedbryde organiske forurenende stoffer i vand. Derfor viser det også potentiale inden for miljøstyringsområder som spildevandsrensning og jordrensning.

Ultralydsgrafendispersionsteknologi er en nøgleteknologi, der er effektiv, kontrollerbar og relativt miljøvenlig. Gennem stærke fysiske interaktioner på mikroskala løser det med succes kerneproblemet med grafens tendens til at aggregere. Selvom der stadig er udfordringer som storskalaproduktion, er det uden tvivl en væsentlig kraft, der driver grafen fra laboratoriet til bredere anvendelser.