Виробництво графену – молодий і перспективний напрямок промисловості. Молодий, тому що графен був відкритий відносно недавно – всього п’ятнадцять-шістнадцять років тому. А перспективний – через цікаві, в певному сенсі унікальні властивості графену.

Що таке графен і чим він цікавий

Довгий час вважалося, що матеріали з двовимірною кристалічною решіткою не існують. Але на початку 2000-х британські фізики Гейм і Новоселов почали експерименти, які врешті-решт увінчалися відкриттям двовимірного кристала, який назвали графеном. Решітка графену складається з атомів вуглецю, які впорядковані в площині у вигляді гексагональної структури. Зовні це нагадує з’єднані між собою шестикутники.

Графен отримують із графіту. У найпростішому випадку для виробництва матеріалу можна використовувати скотч, який прикладається липкою поверхнею до графіту, а потім відривається. На поверхні скотчу залишаються невеликі частинки графіту. Далі скотч складається навпіл і розтягується в різні боки. В результаті залишкові частинки графіту стають все тоншими, і через 10-15 повторень розтягування вони вже є, по суті, графеном.

Чим же цікавий графен? Насамперед тим, що це дуже легкий матеріал, але при цьому досить міцний. Міцність графену у 200 разів перевищує міцність сталі. Його можна розтягувати на 20%, що неможливо у випадку інших кристалів. Також графен характеризується гарною електропровідністю, хімічною інертністю та надзвичайною тонкістю. У це важко повірити, але всього кількох грамів цього матеріалу достатньо, щоб повністю покрити футбольне поле. Усі перелічені властивості відкривають перед графеном відмінні перспективи для використання в різних галузях промисловості:

• просвічувальна електронна мікроскопія. Графен використовується як підкладка для вивчення об’єктів і зразків;
• сонячна енергетика. Графен використовується при виготовленні прозорих провідних покриттів сонячних батарей;
• електроніка. Відомі графенові польові транзистори з більш високим коефіцієнтом підсилення, а також інтегральні мікросхеми;
• екологія. Атоми графену більш активно взаємодіють з атомами радіоактивних елементів, ніж, наприклад, бентонітові глини;
• вимірювальна техніка. Графен використовується при виготовленні тензодатчиків;
• мастильні матеріали. Графен виступає як добавка для консистентних мастил і покращує їх властивості.

Але на цей момент широке використання графену стримується дороговизною його виробництва. Чому виробництво графену обходиться дорого? Відповідь на це питання ви знайдете в наступному розділі.

Виробництво графену – приклад технології

Досліджуються різні способи виробництва графену. Для загального уявлення в цій статті ми розглянемо тільки один підхід, який, проте дуже показовий.

Отже, для отримання графену необхідно пройти кілька послідовних етапів:

1. Диспергувати графіт у розчиннику до отримання суспензії.
2. Обробити отриману суспензію в колоїдному млині.
3. Провести центрифугування суспензії.
4. Виконати фільтрацію під вакуумом і сушку.

Тільки після закінчення четвертого етапу отримують графен. Як бачимо, виробництво графену характеризується багатоступеневістю і використанням хімічних речовин, що суттєво підвищує собівартість отримання матеріалу. Інтуїтивно зрозуміло, що для того, щоб знизити вартість графену, необхідно шукати варіанти без застосування реагентів і з скороченням кількості стадій виробництва. Рішенням цього завдання може стати апарат вихрового шару типу АВСп-150.

Як працює апарат вихрового шару АВСп-150

Класичний апарат вихрового шару складається з індуктора, робочої камери з немагнітного матеріалу і феромагнітних частинок, які поміщаються в робочу камеру (рисунок 1).

Рисунок 1 – Апарат з вихровим шаром феромагнітних частинок: 1 – захисна втулка; 2 – індуктор обертового електромагнітного поля; 3 – корпус індуктора; 4 – робоча камера з немагнітного матеріалу; 5 – феромагнітні частинки

В результаті подачі напруги на обмотку індуктора в робочій камері створюється обертове електромагнітне поле, яке захоплює феромагнітні частинки. Частинки рухаються за складними траєкторіями і постійно зіштовхуються одна з одною, з оброблюваним матеріалом і зі стінками робочої камери. Тому траєкторія руху кожної окремо взятої феромагнітної частинки складна, а сукупність цих траєкторій утворює вихровий шар. При цьому у вихровому шарі виникають різні фактори, які впливають на оброблюваний матеріал. Серед найбільш важливих факторів:

• прямий ударний вплив феромагнітних частинок на оброблюваний матеріал;
• електромагнітне поле;
• ультразвукові коливання;
• кавітація (при обробці матеріалу в рідкому середовищі, наприклад, у воді);
• великі локальні тиски та інші.

Під сукупним впливом перелічених факторів оброблювані матеріали подрібнюються, перемішуються і набувають нових властивостей. Тепер давайте подивимося, як можна використовувати апарат вихрового шару для виробництва графену.

Виробництво графену з використанням апарата вихрового шару

Для виробництва графену пропонується пройти не чотири, а всього два етапи. На першому етапі природний графіт необхідно подрібнити до розміру фракції 1 мм. Для цього можна використовувати звичайні промислові млини. На другому етапі попередньо подрібнений графіт поміщається в робочу камеру апарата вихрового шару АВСп-150. Особливість цієї моделі апарата полягає в горизонтальному розміщенні робочої камери та її постійному подовжньо-поступальному русі. За рахунок цього руху графіт додатково перемішується і розподіляється по об’єму робочої камери, що додатково підсилює вплив вихрового шару. Обробка в апараті АВСп-150 триває від 5-10 до 30 хвилин. На виході отримуємо готовий нанорозмірний графен (рисунок 4).

Переваги технології виробництва графену з використанням апарата вихрового шару

Виробництво графену з використанням апаратів вихрового шару має такі переваги:

• процес не потребує використання каталізаторів і хімічних реагентів;
• зменшення кількості етапів виробництва графену, прискорення процесу в часі;
• для виробництва графену в апараті вихрового шару може використовуватися графіт різних видів (щільнокристалічний, кристалічний, прихованокристалічний);
• зниження собівартості виробництва графену.

Для отримання додаткової інформації зв’яжіться з нашими технічними спеціалістами, скориставшись контактами з відповідного розділу сайту.