Produkcja grafenu — nowa metoda

Produkcja grafenu to młoda i obiecująca branża. Jest młody, bo grafen odkryto stosunkowo niedawno — zaledwie piętnaście, szesnaście lat temu. A jest to obiecujące ze względu na ciekawe i nieco unikalne właściwości grafenu.

Czym jest grafen i dlaczego jest interesujący?

Od dawna powszechnie przyjmuje się, że nie istnieją materiały o dwuwymiarowej sieci krystalicznej. Ale na początku XXI wieku brytyjscy fizycy Geim i Novoselov rozpoczęli eksperymenty, które ostatecznie zakończyły się odkryciem dwuwymiarowego kryształu zwanego grafenem. Sieć grafenowa składa się z atomów węgla ułożonych w płaszczyźnie w formie struktury heksagonalnej. Wzór na zewnątrz przypomina połączone ze sobą sześciokąty.

Grafen otrzymuje się z grafitu. W najprostszym przypadku do wytworzenia materiału można użyć taśmy klejącej, której lepka powierzchnia jest nałożona na grafit, a następnie usunięta. Na powierzchni taśmy pozostają małe cząstki grafitu. Następnie taśma jest składana na pół i rozciągana w różnych kierunkach. W rezultacie pozostałe cząstki grafitu stają się cieńsze i po 10–15 powtórzeniach rozciągania funkcjonują już jako grafen.

Dlaczego grafen jest interesujący? Przede wszystkim jest to bardzo lekki, ale bardzo wytrzymały materiał. Wytrzymałość grafenu jest 200 razy większa niż stali. Można go rozciągnąć o 20%, co nie jest możliwe w przypadku innych kryształów. Ponadto grafen charakteryzuje się dobrą przewodnością elektryczną, obojętnością chemiczną i wyjątkową cienkością. Trudno w to uwierzyć, ale zaledwie kilka gramów tego materiału wystarczy do całkowitego pokrycia boiska piłkarskiego. Wszystkie wymienione właściwości otwierają przed grafenem doskonałe perspektywy do zastosowania w różnych gałęziach przemysłu:

• Transmisyjna mikroskopia elektronowa. Grafen jest używany jako podłoże do badania obiektów i próbek.
• Energia słoneczna. Grafen jest wykorzystywany do produkcji przezroczystych powłok przewodzących do ogniw słonecznych.
• Elektronika. Znane są grafenowe tranzystory polowe o wyższym współczynniku wzmocnienia, a także układy scalone.
• Ekologia. Atomy grafenu aktywniej oddziałują z atomami pierwiastków promieniotwórczych, np. w porównaniu z glinkami bentonitowymi.
• Urządzenia pomiarowe. Grafen jest wykorzystywany do produkcji czujników tensometrycznych.
• Smary. Grafen służy jako dodatek do smarów plastycznych i poprawia ich właściwości.

Jednak obecnie powszechne zastosowanie grafenu jest ograniczone kosztami jego produkcji. Dlaczego produkcja grafenu jest droga? Odpowiedź znajdziesz w następnym rozdziale.

Produkcja grafenu — przykład technologii

Badane są różne metody produkcji grafenu. W ramach przeglądu w tym artykule omówimy tylko jedno podejście, które jest jednak bardzo ilustracyjne.

Tak więc, aby otrzymać grafen, należy przejść kilka kolejnych etapów:

• Dyspergować grafit w rozpuszczalniku do uzyskania zawiesiny.
• Otrzymaną zawiesinę przetworzyć w młynku koloidalnym.
• Wykonać odwirowanie zawiesiny.
• Przeprowadzić filtrację próżniową i suszenie.

Grafen uzyskuje się dopiero po ukończeniu czwartego etapu. Jak widać, produkcja grafenu charakteryzuje się wieloetapowością i użyciem środków chemicznych, co znacznie zwiększa koszt pozyskania materiału. Intuicyjnie wiadomo, że aby obniżyć koszt grafenu, należy szukać opcji bez użycia środków chemicznych i przy zmniejszonej liczbie etapów produkcji. Rozwiązaniem tego problemu może być młyn elektromagnetyczny AVSp-150.

Jak dział młyn elektromagnetyczny AVSp-150?

Typowe urządzenie warstwy wirowej składa się z induktora, komory roboczej wykonanej z materiału niemagnetycznego oraz cząstek ferromagnetycznych umieszczonych w komorze roboczej (rys. 1).

Rysunek 1 – Urządzenie z warstwą wirową cząstek ferromagnetycznych: 1 – tuleja ochronna; 2 – induktor wirującego pola elektromagnetycznego; 3 – obudowa wzbudnika; 4 – komora operacyjna wykonana z materiału niemagnetycznego; 5 – cząstki ferromagnetyczne

W wyniku podania napięcia na uzwojenie wzbudnika w komorze roboczej indukowane jest wirujące pole elektromagnetyczne, które wychwytuje cząstki ferromagnetyczne. Cząsteczki poruszają się po skomplikowanych trajektoriach i nieustannie zderzają się ze sobą, z obrabianym materiałem oraz ze ścianami komory operacyjnej. Dlatego trajektoria ruchu każdej pojedynczej cząstki ferromagnetycznej jest złożona, a kombinacja tych trajektorii generuje warstwę wirową. W tym przypadku w warstwie wirowej powstają różne czynniki, które wpływają na obrabiany materiał. Do najważniejszych czynników należą:

• bezpośredni wpływ cząstek ferromagnetycznych na obrabiany materiał;
• pole elektromagnetyczne;
• wibracje ultradźwiękowe;
• kawitacja (podczas przetwarzania materiału w ciekłym ośrodku, na przykład wodzie);
• wysokie ciśnienie lokalne itp.

Poddane kumulatywnemu działaniu powyższych czynników przetworzone materiały są mielone, mieszane i nabierają nowych właściwości. Przyjrzyjmy się teraz, w jaki sposób można wykorzystać urządzenie z warstwą wirową do produkcji grafenu.

Rysunek 2 – Młyn elektromagnetyczny AVSp-150

Produkcja grafenu za pomocą urządzenia z warstwą wirową

W przypadku produkcji grafenu proponuje się ukończenie tylko dwóch etapów zamiast czterech. W pierwszym etapie grafit naturalny należy rozdrobnić do frakcji o wielkości 1 mm. Do tego celu można użyć zwykłych młynów przemysłowych. W drugim etapie wstępnie zmielony grafit umieszczany jest w komorze roboczej Młyn elektromagnetyczny AVSp-150. Cechą szczególną tego modelu urządzenia jest poziome ułożenie komory roboczej oraz jej stały postępowy ruch wzdłużny. Dzięki temu ruchowi grafit jest dodatkowo mieszany i rozprowadzany w objętości komory roboczej, co dodatkowo wzmacnia efekt warstwy wirowej. Przetwarzanie w AVSp-150 trwa od 5–10 do 30 minut. Na wylocie otrzymujemy gotowy nanowymiarowy grafen (Rysunek 3).

Rysunek 3 – Grafen uzyskany za pomocą młyn elektromagnetyczny AVSp-150

Zalety technologii wytwarzania grafenu z wykorzystaniem młyn elektromagnetyczny

Produkcja grafenu przy użyciu urządzeń z warstwą wirową ma następujące zalety:

• w procesie nie jest wymagane stosowanie katalizatorów i środków chemicznych;
• zmniejszenie liczby etapów produkcji grafenu, przyspieszenie procesu w czasie;
• różne rodzaje grafitu (gęsty krystaliczny, krystaliczny, kryptokrystaliczny) mogą być wykorzystane do produkcji grafenu w urządzeniu z warstwą wirową;
• obniżony koszt produkcji grafenu.

Aby uzyskać więcej informacji, skontaktuj się z naszymi specjalistami technicznymi, korzystając z danych kontaktowych w odpowiedniej sekcji witryny.