超聲波石墨烯分散系統(tǒng)

由于石墨的特殊特性已為人所知，因此開(kāi)發(fā)了幾種石墨制備方法。通過(guò)復(fù)雜的化學(xué)工藝由氧化石墨烯制備石墨烯，期間加入非常強(qiáng)的氧化和還原劑，在這些苛刻的化學(xué)條件下制備的石墨烯經(jīng)常含有大量缺陷。

超聲波是一種經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的替代方法，可以生產(chǎn)大量高質(zhì)量的石墨烯。將石墨加入稀有機(jī)酸，醇和水的混合物中，然后將混合物暴露于超聲波輻射下。該酸起“分子楔”的作用，將石墨烯片與母體石墨分離。 通過(guò)這種簡(jiǎn)單的過(guò)程，產(chǎn)生了大量未分散的，高質(zhì)量的分散在水中的石墨烯。

石墨烯簡(jiǎn)介

石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料。 石墨烯的碳原子厚的碳薄片通過(guò)非鍵合相互作用形成石墨，并且具有極大的表面積。

“它是宇宙中最薄的物質(zhì)，也是有史以來(lái)最堅(jiān)固的物質(zhì)。其表現(xiàn)出巨大的本征載流子遷移率，具有最小的有效質(zhì)量（為零），可以在室溫下進(jìn)行微米長(zhǎng)距離的傳播而不散射。石墨烯可以維持比銅高6個(gè)數(shù)量級(jí)的電流密度，顯示出創(chuàng)紀(jì)錄的熱導(dǎo)率和硬度，不透氣，并能調(diào)和脆性和延性等相互沖突的特性。石墨烯中的電子傳輸用狄拉克式方程描述，該方程允許在臺(tái)式實(shí)驗(yàn)中研究相對(duì)論量子現(xiàn)象。

超聲石墨烯分散原理

超聲波石墨烯分散設(shè)備是利用超聲波的空化作用來(lái)分散團(tuán)聚的顆粒。它是將所需處理的顆粒懸浮液（液態(tài)）放入超強(qiáng)聲場(chǎng)中，用適當(dāng)?shù)某曊穹右蕴幚怼Ｔ诳栈?yīng)，高溫，高壓，微射流，強(qiáng)振動(dòng)等附加效應(yīng)下，分子間的距離會(huì)不斷增加，最終導(dǎo)致分子破碎，形成單分子結(jié)構(gòu)。該產(chǎn)品尤其對(duì)于分散納米材料（如碳納米管、石墨烯、二氧化硅等）有良好效果。

石墨烯分散目的

自然界中存在大量的石墨材料，厚1毫米的石墨大約包含300萬(wàn)層石墨烯。單層石墨被稱(chēng)為石墨烯，在自由狀態(tài)下不存在該物質(zhì)，都以多層石墨烯層疊的石墨片的形式存在。由于石墨片的層間作用力較弱，可以通過(guò)外力進(jìn)行層層剝離，從而獲得只有一個(gè)碳原子厚度的單層石墨烯。

常用的分散方法

微機(jī)械剝離法

• 用膠帶直接將石墨烯薄片從較大的晶體上剝離下來(lái)，不斷重復(fù)這個(gè)過(guò)程。
• 使用一種材料與膨化或引入缺陷的熱解石墨進(jìn)行摩擦，體相石墨的表面會(huì)產(chǎn)生絮片狀的晶體，絮片狀晶體中含有單層石墨烯。

缺點(diǎn)：石墨烯產(chǎn)量低，面積小，難以精確控制尺寸，效率低，不能大規(guī)模制備。

化學(xué)氣相沉積法

將一種或多種含碳的氣態(tài)物質(zhì)（通常為低碳的有機(jī)物氣體）通入到真空反應(yīng)器中，通過(guò)高溫使含碳的氣體分解碳化（通常為低碳的有機(jī)物氣體），在基底表面生長(zhǎng)出一種碳單質(zhì)的過(guò)程。

缺點(diǎn)：石墨烯的六角蜂窩狀晶體結(jié)構(gòu)，無(wú)法完全石墨化，品質(zhì)不如微機(jī)剝離法的好，高昂的成本及苛刻的設(shè)備要求都限制了其規(guī)模化制備石墨烯，還需要加入催化劑降低了石墨烯純度。

晶體外延取向生長(zhǎng)法

一種是通過(guò)加熱單晶 6H-SiC 脫除 Si，從而在 SiC 晶體表面外延生長(zhǎng)石墨烯。石墨烯和 Si 層接觸，這種石墨烯的導(dǎo)電性受到基底影響；另一種是利用金屬單晶中的微量碳成分，通過(guò)在超高真空下高溫退火，金屬內(nèi)碳元素在金屬單晶表面析出石墨烯。

缺點(diǎn)：石墨烯薄膜厚度不均勻，難以控制，生成的石墨烯緊緊地黏貼在基底上難以剝離，會(huì)影響石墨烯的特性。同時(shí)需在超真空及高溫條件下生長(zhǎng)，條件極為苛刻，設(shè)備要求高，無(wú)法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、可控制備石墨烯。

氧化石墨還原法

氧化石墨烯一般由石墨經(jīng)強(qiáng)酸氧化而得。主要有三種制備氧化石墨的方法：Brodie法，Staudenmaier法和Hummers法，其中Hummers法石墨烯分散需加入超聲波輔助。

超聲波波制備石墨烯

當(dāng)以高強(qiáng)度超聲處理液體時(shí)，傳播到液體介質(zhì)中的聲波導(dǎo)致產(chǎn)生交替的高壓（壓縮）和低壓（稀疏）循環(huán)，其速率取決于頻率。 在低壓循環(huán)期間，高強(qiáng)度超聲波在液體中產(chǎn)生小的真空氣泡或空隙。 當(dāng)氣泡達(dá)到不能再吸收能量的體積時(shí)，它們?cè)诟邏貉h(huán)期間劇烈塌陷。 這種現(xiàn)象稱(chēng)為空化現(xiàn)象。 在內(nèi)爆期間，局部達(dá)到非常高的溫度（約5,000K）和壓力（約2,000atm）。 空化氣泡的內(nèi)爆也導(dǎo)致液體射流速度高達(dá)280 m/s。超聲空化引起的物理化學(xué)變化，可應(yīng)用于石墨烯制備。

超聲波分散和解聚

空化誘導(dǎo)聲化學(xué)在能量和物質(zhì)之間提供了獨(dú)特的相互作用，氣泡內(nèi)的熱點(diǎn)為~5000K，壓力為~1000bar，加熱和冷卻速率大于1010K s-1；這些特殊的條件允許進(jìn)入一系列通常無(wú)法進(jìn)入的化學(xué)反應(yīng)空間，這允許合成各種不同尋常的納米結(jié)構(gòu)材料。

石墨烯直接剝離

超聲波直接剝離制備的石墨烯的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Hummer方法得到的石墨烯。超聲波可以在有機(jī)溶劑、表面活性劑/水溶液或離子液體中制備石墨烯。這意味著可以避免使用強(qiáng)氧化或還原劑在超聲作用下通過(guò)剝落產(chǎn)生了石墨烯。超聲波處理濃度為 1mg/ml 石墨烯氧化物的熔液，AFM圖像顯示總是存在具有均勻厚度的薄片（1nm）,這些良好的氧化石墨烯剝離樣品中沒(méi)有厚度大于1nm或厚度小于1nm的石墨烯薄片，由此得出結(jié)論，在這些條件下，實(shí)現(xiàn)了氧化石墨烯完全剝落得到單個(gè)氧化石墨烯薄片。

超聲波分散設(shè)備可用于石墨烯，油墨涂料等分散，均質(zhì)化處理；石油乳化；中藥萃取加工；細(xì)胞，壓載水破碎，消毒處理；化工原料加速反應(yīng)等方面。

• 產(chǎn)品參數(shù)