石墨烯被稱作是新材料之王的“黑金”,是至今為止發現的最薄,最堅硬,導電及導熱性能最強的一種新型納米材料。隨著現代科技和工業的發展,對石墨烯的制備技術的要求也越來越高,通過超聲波分散石墨烯可以實現石墨烯低成本、大規模的生產以及廣泛商業化應用, 廣范應用在感光元件、新能源、傳感器、油漆涂料、電極、電池、晶體管、柔性顯示屏、太陽能、超輕材料、復合材料、海水淡化等眾多領域。

什么是石墨烯

自然界中存在大量的石墨材料,厚1毫米的石墨大約包含幾百萬層石墨烯,而其中只有一個原子層厚度的準二維材料,被稱之為石墨烯,所以又叫做單原子層石墨。石墨烯是一種由碳原子組 成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜,一般在自由狀態下都以多層石墨烯層疊的石墨片的形式存在。石墨烯具有極佳的透光性,很高的導熱系數和電子遷移率。此外它還是世界上電阻率最小的材 料,并且具有很多材料不具備的高機械強度和韌性。一般來說,由于石墨片的層間作用力較弱,可以借助外力進行層層剝離而獲取一個碳原子厚度的單層石墨烯。

常見的石墨烯制備方法

1)機械剝離法:機械剝離法是利用材料和石墨烯之間產生摩擦和相對運動,而得到石墨烯單層材料的方法。這種方法操作簡單,并且保持著石墨烯完整的晶體結構,但產量低,尺寸難以控 制,無法進行工業化量產。

2)碳化硅晶體外延法:通過在超高真空的高溫環境下脫除硅原子,從而在碳化硅晶體表面外延生長石墨烯,從而得到基于碳化硅襯底的石墨烯,這種石墨烯的導電性受到基底影響,且生長 條件苛刻,對設備要求較高。

3)化學氣相沉淀法:將低碳的有機物氣體通入到真空反應器中,通過高溫使含碳的氣體分解碳化,持續一定時間后進行冷卻,冷卻過程中在基底表面便會形成數層或單層石墨烯,此方法比 較適合工業大規模生產,但品質不如微機剝離法。

4)氧化還原法:一般由石墨經強酸氧化而得到氧化石墨烯,再通過化學方法將氧化石墨烯還原,得到石墨烯。這種方法特點是產量高但質量一般。主要包括Brodie法,Staudenmaier法和 Hummers法三種,其中Hummers可以配合超聲波分散石墨烯,效率較高,屬于目前比較常用的一種。

利用超聲波分散石墨烯原理

石墨烯由于其表面惰性使得它與很多物質不相溶而且分散性差,極易團聚形成尺寸較大的團聚體,并且這種團聚體是不可逆的,使得納米顆粒不能以單一的顆粒均勻分散,降低了自身的吸附 能力同時,也不能發揮其應有的納米特性。對納米粉體的應用性能以及石墨烯增強復合材料性能的改進產生十分不利的影響。

不使用表面活性劑或分散劑去制備穩定且高度濃縮的石墨烯是一項具有挑戰性的任務。為了克服石墨烯層間的范德華力,超聲空化產生的強大剪切力是制備這種穩定分散體的最先進方法。超 聲波在液態中的傳播產生強大的壓力波,形成數不清的的微觀氣泡,并經歷迅速增長,閉合。在氣泡閉合時,由于液態間的相互碰撞產生強大的沖擊波,在其周邊產生上千個大氣壓的壓力, 從而產生強有力的剪切活動。隨著超聲波功率的提升,超聲波瞬間釋放的壓力破壞了石墨烯層與層之間的范德華力,有效地擴大石墨層間距。較大的層間距不僅有利于其他分子、原子等插入 層間形成石墨插層復合材料,而且更容易被剝離,為下一步制備單層石墨烯打下基礎。此外,通過精確控制超聲處理的工藝參數,超聲波分散技術可以避免化學作用以及晶體結構的損傷,從 而獲取導致原始的、無缺陷的石墨烯薄片。

超聲波石墨烯分散設備的應用

由于超聲石墨烯分散的介質對象以及超聲波能量的需求在不同應用領域中是不一樣的,一般來說首先需要對少量的液體樣本進行空化效果實驗,以確定聲強、振幅、作用時間、溫度等各種參 數的適用范圍,然后在參數保持基本不變的基礎上,對設備進行放大設計,以滿足工業化批量生產的要求。最基本的超聲波分散設備由超聲波換能器,超聲波驅動電源以及超聲波工具頭組成 ,金屬在高頻振蕩拉伸過程中對材料的韌性和強度要求很高,所以一般工具頭一般選用鈦合金材料。根據處理量的不同石墨烯分散設備一般分為小型超聲實驗機,中型超聲試驗機以及超聲批 量生產線三種形式:

1)石墨烯小型超聲波實驗設備

一般由發生器,換能器,以及實驗固定支架組成,是一種用于測試石墨烯制取或應用可行性的實驗設備。測試內容包括振幅、物料配比、反應容積、作用時間、溫度等條件對實驗結果的影響 ,盡可能取得理想的實驗結果,并做好相關參數記錄,為后續實驗或生產提供標準。

2)石墨烯中型超聲波實驗設備

由超聲波發生器、換能器以及循環反應釜組成,此外配有冷卻夾套、加料口、送料泵以及底座等附件,形成石墨烯超聲波生產的一個獨立單元,通過循環泵實現物料在單個反應釜內的流動和 處理,模擬工業生產線的運行。通過設備確認生產效率,反應容積和流速,以及最佳的超聲波功率以及物料配比。

3)石墨烯超聲波批量生產線

采用多套超聲波設備組成生產單元的形式,具體的套數和功率的確認和應用以實驗數據為基礎。石墨烯超聲波生產線除之前提到的超聲波設備和反應釜以外,還配備有冷卻循環用夾套、流量 泵、流量計、電源集中控制柜、反應釜固定裝置、隔音棉等等。使用者只需要提供電纜接口、物料接口、冷卻水接口就可以實現石墨烯的工業化的批量生產。

利用超聲波分散制備和生產石墨烯可以大大提高生產效率,無任何副產品或污染。超聲波本身對物料的化學反應有促進作用,因此也可以減少化學催化劑的用量。不僅可以替代現有的高耗能 高污染的生產方式,也可以對傳統生產設備進行的簡單工藝改造,加入超聲波分散設備,滿足石墨烯單質的制備需求。