ITRM20130146A1 - ELECTROPOSITION ON METAL FOAMS - Google Patents
ELECTROPOSITION ON METAL FOAMSInfo
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Description
"ELETTRODEPOSIZIONE SU SCHIUME METALLICHE" "ELECTRODEPOSITION ON METALLIC FOAMS"
DESCRIZIONE DESCRIPTION
La presente invenzione si riferisce ad un metodo per la preparazione di schiume metalliche con rivestimento in matrice metallica e grafene mediante un processo di elettrodeposizione e alle schiume metalliche ad elevate prestazioni ottenibili con tale metodo. The present invention relates to a method for the preparation of metal foams with metal matrix and graphene coating by means of an electrodeposition process and to the high performance metal foams obtainable with this method.
STATO DELLA TECNICA ANTERIORE STATE OF THE PRIOR ART
Le schiume metalliche sono materiali noti descritti ad esempio nella domanda di brevetto US2012/0175534. Le schiume metalliche sono materiali porosi con strutture a celle aperte con una superficie esterna che può consistere essenzialmente in uno più o rivestimenti metallici depositati ad esempio mediante elettrodeposizione. Metal foams are known materials described for example in patent application US2012 / 0175534. Metal foams are porous materials with open cell structures with an outer surface which can essentially consist of one or more metallic coatings deposited for example by electrodeposition.
Schiume metalliche di questo tipo hanno molti campi di applicazione, possono essere utilizzate per la produzione di elettrodi per accumulatori elettrici o batterie nonché per elettrodi per celle a combustibile. Metal foams of this type have many fields of application, they can be used for the production of electrodes for electric accumulators or batteries as well as for electrodes for fuel cells.
Inoltre, materiali di questo tipo possono essere impiegati come materiali di supporto per catalizzatori che sono utilizzati in impianti per processi chimici e anche in dispositivi catalitici di veicoli a motore. Inoltre le schiume metallica possono essere utilizzate per l'isolamento acustico. Furthermore, materials of this type can be employed as support materials for catalysts which are used in chemical process plants and also in catalytic devices of motor vehicles. In addition, metal foams can be used for sound insulation.
E’ stato ora sorprendentemente scoperto che alcune proprietà delle schiume metalliche note nello stato della tecnica possono essere notevolmente migliorate modificando il loro rivestimento metallico. It has now been surprisingly discovered that some properties of the metal foams known in the state of the art can be significantly improved by modifying their metallic coating.
Scopo della presente invenzione è quello di fornire nuove schiume metalliche rivestite e metodi per la loro preparazione, con proprietà fisiche e/o chimiche migliorate rispetto alle schiume metalliche ottenute con i metodi della tecnica nota. The object of the present invention is to provide new coated metal foams and methods for their preparation, with physical and / or chemical properties improved with respect to the metal foams obtained with the methods of the known art.
SOMMARIO DELL'INVENZIONE SUMMARY OF THE INVENTION
La soluzione proposta nella seguente invenzione è un metodo per la preparazione di schiume metalliche con un rivestimento in metallo (o sue leghe) e grafene in grado di conferire alle schiume metalliche proprietà meccaniche (ad esempio resistenza a compressione, capacità di assorbimento di energia, flessibilità e/o resistenza alla trazione) migliori delle schiume metalliche prive di questo tipo di rivestimento. La presente invenzione si basa sull’osservazione che variando la quantità di grafene usata nel metodo di preparazione, eventualmente in combinazione con altri parametri del metodo come la porosità delle schiume metalliche, lo spessore e/o il metallo di rivestimento, è possibile modulare le proprietà meccaniche delle schiume metalliche a celle aperte migliorandole notevolmente. Sono state infatti ottenute schiume metalliche rivestite con una conducibilità termica migliorata fino al 150% e una tensione di snervamento migliorata fino al 50% rispetto alle schiume metalliche non rivestite. The solution proposed in the following invention is a method for the preparation of metal foams with a coating in metal (or its alloys) and graphene capable of giving the metal foams mechanical properties (e.g. compressive strength, energy absorption capacity, flexibility and / or tensile strength) better than metal foams without this type of coating. The present invention is based on the observation that by varying the amount of graphene used in the preparation method, possibly in combination with other parameters of the method such as the porosity of the metal foams, the thickness and / or the coating metal, it is possible to modulate the properties mechanics of open cell metal foams improving them considerably. In fact, coated metal foams have been obtained with an improved thermal conductivity of up to 150% and an improved yield stress of up to 50% compared to uncoated metal foams.
Pertanto, un primo oggetto della presente invenzione è un metodo per la preparazione di schiume metalliche a celle aperte con un rivestimento in metallo o una sua lega e grafene comprendente i seguenti passaggi: Therefore, a first object of the present invention is a method for preparing open cell metal foams with a metal coating or an alloy thereof and graphene comprising the following steps:
a) elettrodeposizione di un primo strato di metallo o di una sua lega e grafene su detta schiuma metallica; a) electrodeposition of a first layer of metal or of an alloy and graphene thereof on said metal foam;
b) elettrodeposizione di un secondo strato di metallo o di una sua lega su detta schiuma metallica. b) electrodeposition of a second layer of metal or of an alloy thereof on said metal foam.
Un secondo oggetto dell’invenzione è un metodo per la preparazione di schiume metalliche a celle aperte con un rivestimento in metallo o una sua lega e grafene comprendente i seguenti passaggi: A second object of the invention is a method for preparing open cell metal foams with a metal coating or an alloy and graphene thereof comprising the following steps:
a’) elettrodeposizione di un primo strato di metallo o di una sua lega su detta schiuma metallica; a ') electrodeposition of a first layer of metal or an alloy thereof on said metal foam;
b’) elettrodeposizione di un secondo strato di metallo o di una sua lega e grafene su detta schiuma metallica; b ') electrodeposition of a second layer of metal or an alloy and graphene thereof on said metal foam;
c’) elettrodeposizione di un terzo strato di metallo o di una sua lega su detta schiuma metallica. c ’) electrodeposition of a third layer of metal or an alloy thereof on said metal foam.
Un terzo oggetto dell’invenzione è una schiuma metallica a celle aperte rivestita in cui detto rivestimento comprende un primo strato di metallo o una sua lega e grafene, un secondo strato di metallo o una sua lega. A third object of the invention is a coated open cell metal foam in which said coating comprises a first layer of metal or an alloy thereof and graphene, a second layer of metal or an alloy thereof.
Un quarto oggetto dell’invenzione è una schiuma metallica a celle aperte rivestita in cui detto rivestimento comprende un primo strato di metallo o di una sua lega, un secondo strato di metallo o una sua lega e grafene, un terzo strato di metallo o una sua lega. A fourth object of the invention is a coated open cell metal foam in which said coating comprises a first layer of metal or an alloy thereof, a second layer of metal or an alloy thereof and graphene, a third layer of metal or a layer thereof. League.
BREVE DESCRIZIONE DELLE FIGURE BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
Figura 1. In Fig.1 è riportato uno schema della cella utilizzata in una forma di realizzazione del metodo della presente invenzione. Si può osservare che il catodo è costituito dalla schiuma di alluminio a celle aperte, circondato dall’anodo in materiale metallico. Figure 1. Fig.1 shows a diagram of the cell used in an embodiment of the method of the present invention. It can be observed that the cathode is made up of open-cell aluminum foam, surrounded by the anode in metal material.
Figura 2. In Fig. 2 sono riportati immagini di analisi microscopiche che evidenziano lo strato di grafene e di metalli depositati su un particolare di schiuma metallica. Figure 2. Fig. 2 shows images of microscopic analyzes that highlight the layer of graphene and metals deposited on a particular metal foam.
Figura 3. In Fig.3 sono riportate delle immagini ingrandite al microscopio delle singole fasi di deposizione su schiume metalliche. Figure 3. Fig.3 shows enlarged images under the microscope of the single deposition phases on metal foams.
Figura 4. In Fig. 4 è riportato uno schema del sistema di misura della conducibilità termica di un campione di schiuma a celle aperte con rivestimento in metallo e grafene Figure 4. Fig. 4 shows a diagram of the thermal conductivity measurement system of a sample of open cell foam with metal and graphene coating
DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL'INVENZIONE DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Come precedentemente indicato, la presente invenzione riguarda un metodo per la preparazione di schiume metalliche a celle aperte con un rivestimento in metallo (o una sua lega) e grafene comprendente i seguenti passaggi di elettrodeposizione: a) elettrodeposizione di un primo strato di metallo o di una sua lega e grafene su detta schiuma metallica; As previously indicated, the present invention relates to a method for preparing open cell metal foams with a metal (or an alloy thereof) and graphene coating comprising the following electrodeposition steps: a) electrodeposition of a first layer of metal or an alloy thereof and graphene on said metal foam;
b) elettrodeposizione di un secondo strato di metallo o una sua lega su detta schiuma metallica. b) electrodeposition of a second metal layer or an alloy thereof on said metal foam.
Nel metodo della presente invenzione potranno essere usate preferibilmente schiume metalliche scelte tra schiume metalliche di alluminio, rame, nichel, ferro, titanio, magnesio, piombo e le leghe basate sui predetti metalli, mentre la dimensione dei pori della struttura a celle aperte sarà generalmente nell’intervallo che va dai micrometri ai centimetri o se espressa come dimensione di pori per pollice compresa tra 3 e 30 ppi. La densità di corrente del passaggio di elettrodeposizione a) potrà variare ad esempio da 0,02 a 0,2 mA/cm<2>, mentre la densità di corrente passaggio di elettrodeposizione b) potrà variare ad esempio in un intervallo di 0,2-40 mA/cm<2>. In the method of the present invention, metal foams selected from metal foams of aluminum, copper, nickel, iron, titanium, magnesium, lead and alloys based on the aforementioned metals can be preferably used, while the pore size of the open cell structure will generally be in the 'range that goes from micrometers to centimeters or if expressed as a size of pores per inch between 3 and 30 ppi. The current density of the electrodeposition passage a) may vary for example from 0.02 to 0.2 mA / cm <2>, while the current density of the electrodeposition passage b) may vary for example in an interval of 0.2 -40 mA / cm <2>.
Il metodo della presente invenzione potrà comprendere un altro passaggio di elettrodeposizione di metallo o di una sua lega precedente al passaggio a). L’elettrodeposizione di uno strato metallico sulla schiuma metallica prima dei passaggi a) e b) migliora ulteriormente la conducibilità termica e resistenza meccanica della schiuma rivestita e potrà essere condotto ad esempio ad una densità di corrente compresa tra 0,2-40 mA/cm<2>The method of the present invention may comprise another electroplating step of metal or an alloy thereof preceding step a). The electrodeposition of a metal layer on the metal foam before steps a) and b) further improves the thermal conductivity and mechanical resistance of the coated foam and can be conducted for example at a current density between 0.2-40 mA / cm < 2>
La temperatura del metodo è compresa generalmente in un intervallo tra 20-100°C. La durata complessiva del metodo sarà chiaramente in funzione del valore della densità di corrente e può variare ad esempio da 5 minuti a 3 ore. La selezione dei parametri dei diversi passaggi del metodo quali densità di corrente, temperatura e durata dell‘elettrodeposizione influiscono sulle proprietà del rivestimento, come spessore, durezza, duttilità e omogeneità. The method temperature generally ranges from 20-100 ° C. The overall duration of the method will clearly depend on the value of the current density and can vary for example from 5 minutes to 3 hours. The selection of the parameters of the different steps of the method such as current density, temperature and duration of the electrodeposition affect the properties of the coating, such as thickness, hardness, ductility and homogeneity.
I metalli utilizzati nei passaggi di elettrodeposizione sono ad esempio nichel, zinco, stagno, cromo, ferro, rame, titanio, argento, oro, platino e altri elementi del gruppo del platino, come Ru, Os, Rh, Pd e Jr e loro leghe come ad esempio ottone, bronzo, monel, leghe di ferro-cromo, e loro combinazioni. Per determinate applicazioni, scambiatori di calore, radiatori, celle a combustibile, sono particolarmente preferite rame, leghe di rame, nichel e leghe di nichel. Preferibilmente, ma non necessariamente potrà essere usato lo stesso metallo nei diversi passaggi di elettrodeposizione del metodo. The metals used in the electrodeposition steps are for example nickel, zinc, tin, chromium, iron, copper, titanium, silver, gold, platinum and other elements of the platinum group, such as Ru, Os, Rh, Pd and Jr and their alloys such as brass, bronze, monel, iron-chromium alloys, and combinations thereof. For certain applications, heat exchangers, radiators, fuel cells, copper, copper alloys, nickel and nickel alloys are particularly preferred. Preferably, but not necessarily, the same metal can be used in the different electrodeposition steps of the method.
I bagni elettrolitici dei diversi passaggi di elettrodeposizione possono contenere gli stessi reagenti usati nella elettrodeposizione convenzionale di metalli, leghe metalliche o materiali compositi a matrice metallica ad esempio potranno essere CuSO4 e CuCl. Il bagno elettrolitico del secondo passaggio b) di elettrodeposizione, sarà preferibilmente basico e conterrà grafene preferibilmente in una concentrazione in peso compresa tra 1 e 5%. Il grafene sarà preferibilmente scelto tra ossido di grafene (GO), nanopiastrine di grafene (GNP), e GO o GNP funzionalizzati con particelle metalliche. The electrolytic baths of the different electrodeposition steps can contain the same reagents used in the conventional electrodeposition of metals, metal alloys or metal matrix composite materials, for example they could be CuSO4 and CuCl. The electrolytic bath of the second electrodeposition step b) will preferably be basic and will contain graphene preferably in a concentration by weight of between 1 and 5%. Graphene will preferably be chosen from graphene oxide (GO), graphene nanoplatelets (GNP), and GO or GNP functionalized with metal particles.
L’ossido di grafene è un materiale stratificato prodotto dall’ossidazione della grafite mediante forti trattamenti acidi ed ossidativi. L’unità di base del GO è il piano di grafene ossidato, che reca gruppi ossidrilici ed epossidici sul piano, oltre a gruppi carbonilici e carbossilici ai bordi. Graphene oxide is a layered material produced by the oxidation of graphite through strong acid and oxidative treatments. The basic unit of the GO is the oxidized graphene plane, which bears hydroxyl and epoxy groups on the plane, as well as carbonyl and carboxyl groups at the edges.
La presenza di questi gruppi funzionali rende il GO fortemente idrofilo e, a differenza della grafite, un cattivo conduttore elettrico (ibridazione sp2 a sp3). Con una riduzione chimica o termica è possibile ripristinare, quasi totalmente, l’ibridazione originaria della grafite rendendo il GO (GOr) un buon conduttore elettrico e termico. The presence of these functional groups makes GO highly hydrophilic and, unlike graphite, a bad electrical conductor (sp2 to sp3 hybridization). With a chemical or thermal reduction it is possible to almost totally restore the original hybridization of graphite making the GO (GOr) a good electrical and thermal conductor.
Le nanopiastrine di grafene (GNP o Graphene NanoPlatelets) si presentano sotto forma di una polvere grigio-nera parzialmente volatile. Lo spessore medio stimato delle particelle preferibile per l’applicazione varia da pochi nanometri (Grafene few layer) sino a circa 30 nanometri. Graphene nanoplatelets (GNP or Graphene NanoPlatelets) come in the form of a partially volatile gray-black powder. The estimated average thickness of the particles preferable for the application varies from a few nanometers (Graphene few layer) up to about 30 nanometers.
Le dimensioni superficiali di tali nanopiastrine vanno dai 5 ai 200 microns, preferibilmente da 20 a 30 micron. Il contenuto di carbonio calcolato è maggiore del 98%, mentre la densità di bulk varia da un minimo di 0,010 g/cm3 sino a 0,050 g/cm3. I bagni elettrolitici durante i vari passaggi di elelttrodeposizione potranno essere vantaggiosamente posti in agitazione magnetica per favorire l’uniformità del rivestimento finale ottenuto. The surface dimensions of these nanoplatelets range from 5 to 200 microns, preferably from 20 to 30 microns. The calculated carbon content is greater than 98%, while the bulk density varies from a minimum of 0.010 g / cm3 up to 0.050 g / cm3. The electrolytic baths during the various electroplating steps can be advantageously placed under magnetic stirring to favor the uniformity of the final coating obtained.
Secondo una forma di realizzazione nei passaggi di elettrodeposizione la schiuma metallica funge da catodo. Il catodo sarà circondato da tutti i lati da un anodo sacrificale. L'anodo forma una gabbia cubica intorno alla schiuma (si veda ad esempio FIG. 1). La distanza dell’ anodo dalla superficie esterna della schiuma da rivestire potrà essere ad esempio di circa 2 cm. According to an embodiment in the electrodeposition passages the metal foam acts as a cathode. The cathode will be surrounded on all sides by a sacrificial anode. The anode forms a cubic cage around the foam (see for example FIG. 1). The distance of the anode from the external surface of the foam to be coated may be for example about 2 cm.
Secondo una forma di realizzazione prima di effettuare i passaggi di elettrodeposizione il metodo potrà comprendere un passaggio in cui la schiuma metallica è sottoposta ad un procedimento di sabbiatura (ad esempio con sferette di vetro), la superficie delle schiume sarà così vantaggiosamente attivata. According to an embodiment, before carrying out the electrodeposition passages, the method may comprise a passage in which the metal foam is subjected to a sandblasting process (for example with glass beads), the surface of the foams will thus advantageously be activated.
Secondo una forma di realizzazione del metodo il bagno elettrolitico del passaggio a) comprende CuSO4 e nanopiastrine di grafene, il bagno elettrolitico del passaggio b) comprende H2SO4, CuSO4 e CuCl e il bagno elettrolitico del passaggio precedente al passaggio a) comprende H2SO4, CuSO4 e CuCl. According to an embodiment of the method, the electrolytic bath of step a) comprises CuSO4 and graphene nanoplatelets, the electrolytic bath of step b) comprises H2SO4, CuSO4 and CuCl and the electrolytic bath of step preceding step a) comprises H2SO4, CuSO4 and CuCl.
Ulteriore oggetto della presente invenzione sono schiume metalliche a celle aperte rivestite in cui detto rivestimento comprende un primo strato di metallo (o una sua lega) e grafene, un secondo strato di metallo o una sua lega. In una forma di realizzazione il rivestimento comprenderà anche un altro strato di metallo (o una sua lega) posto tra la schiuma metallica e lo strato di metallo e grafene, . A further object of the present invention are coated open cell metal foams in which said coating comprises a first layer of metal (or an alloy thereof) and graphene, a second layer of metal or an alloy thereof. In one embodiment the coating will also comprise another metal layer (or an alloy thereof) placed between the metal foam and the metal and graphene layer.
I metalli utilizzati nel rivestimento di dette schiume metalliche sono ad esempio nichel, zinco, stagno, cromo, ferro, rame, titanio, argento, oro, platino e altri elementi del gruppo del platino, come Ru, Os, Rh, Pd e Jr e loro leghe come ad esempio ottone, bronzo, monel, leghe di ferro-cromo, e loro combinazioni. Le schiume metalliche saranno preferibilmente scelte tra schiume metalliche di alluminio, rame, nichel, ferro, titanio, magnesio, piombo e le leghe basate sui predetti metalli. The metals used in the coating of said metal foams are for example nickel, zinc, tin, chromium, iron, copper, titanium, silver, gold, platinum and other elements of the platinum group, such as Ru, Os, Rh, Pd and Jr and their alloys such as brass, bronze, monel, iron-chromium alloys, and combinations thereof. The metal foams will preferably be selected from metal foams of aluminum, copper, nickel, iron, titanium, magnesium, lead and alloys based on the aforesaid metals.
Secondo una forma di realizzazione lo spessore del rivestimento è sostanzialmente uniforme, il che significa che la deviazione dalla spessore medio non è maggiore di circa il 20%. Generalmente lo spessore sarà compreso in un intervallo da 1-1000 micron, preferibilmente da 20 a 500 µm. Lo spessore dello strato di metallo e grafite sarà preferibilmente al massimo di 100 micron. According to one embodiment, the thickness of the coating is substantially uniform, which means that the deviation from the average thickness is not greater than about 20%. Generally the thickness will be comprised in a range from 1-1000 microns, preferably from 20 to 500 µm. The thickness of the metal and graphite layer will preferably be at most 100 microns.
Secondo una forma di realizzazione le schiume metalliche a celle aperte rivestite come sopra descritte saranno ottenute con il metodo di elettrodeposizione della presente descrizione. According to an embodiment, the open cell metal foams coated as described above will be obtained with the electrodeposition method of the present description.
Ulteriore oggetto della presente invenzione sono manufatti comprendenti le schiume metalliche della presente descrizione in forma di griglie per batterie, componenti per scambiatori di calore per impianti chimici e industriali, scambiatori di calore per elettrodomestici, per trasformatori di corrente di alta potenza, per scambiatori di calore per i settori automotive, aeronautico e aerospaziale, celle a combustibile, sistemi elettronici di potenza, sistemi per la produzione dell'energia con piccoli salti termici, scambiatori di calore per camini in ambienti aggressivi, componentistica integrata con proprietà di scambio termico e strutturale dei settori industriali, del trasporto e aerospaziale. A further object of the present invention are manufactured articles comprising the metal foams of the present description in the form of grids for batteries, components for heat exchangers for chemical and industrial plants, heat exchangers for household appliances, for high power current transformers, for heat exchangers. for the automotive, aeronautical and aerospace sectors, fuel cells, electronic power systems, systems for the production of energy with small thermal jumps, heat exchangers for chimneys in aggressive environments, integrated components with thermal and structural exchange properties of the sectors industrial, transport and aerospace.
Sono di sotto riportati esempi che hanno lo scopo di illustrare meglio la presente invenzione e alcune forme di realizzazione specifiche, tali esempi non sono in alcun modo da considerare come una limitazione della precedente descrizione e delle successive rivendicazioni. Examples are reported below which have the purpose of better illustrating the present invention and some specific embodiments, these examples are in no way to be considered as a limitation of the previous description and subsequent claims.
ESEMPI EXAMPLES
Metodi per la valutazione delle proprietà delle schiume metalliche con e senza rivestimento Methods for the evaluation of the properties of metal foams with and without coating
Per poter valutare il comportamento meccanico delle schiume con e senza rivestimento, in termini di tensione di snervamento e di energia di deformazione, sono stati eseguiti dei test di compressione, utilizzando una cella di carico da 10 KN. La velocità di compressione è stata fissata a 10 mm/min, al fine di evidenziare al meglio l’ampia zona di plateau che è relazionabile alla capacità di assorbimento di energia da parte delle schiume. In order to evaluate the mechanical behavior of foams with and without coating, in terms of yield stress and deformation energy, compression tests were performed using a 10 KN load cell. The compression speed was set at 10 mm / min, in order to better highlight the large plateau area that is related to the energy absorption capacity of the foams.
Per l’esecuzione delle prove termiche, è stato invece messo a punto un piccolo apparato sperimentale del quale si riporta lo schema in Fig 4. For the execution of the thermal tests, a small experimental apparatus was instead developed, the diagram of which is shown in Fig 4.
Sono state utilizzate due celle di Peltier, appoggiate sulle basi della schiume, poste tra due piastre alettate. Ciascuna cella, collegata elettricamente ad un alimentatore, permette di impostare un flusso termico unidirezionale dal basso verso l’alto che interessa la schiuma e crea un gradiente termico all’interno di essa. La schiuma è stata isolata per contenere la dispersione del calore in direzione laterale. Per misurare la temperatura alle basi della schiuma sono state utilizzate due termocoppie di “tipo J” Ferro-Costantana. Il flusso termico scambiato risulta essere: Two Peltier cells were used, resting on the foam bases, placed between two finned plates. Each cell, electrically connected to a power supply, allows you to set a unidirectional thermal flow from bottom to top that affects the foam and creates a thermal gradient inside it. The foam has been insulated to contain heat loss in the lateral direction. To measure the temperature at the bases of the foam, two Iron-Constantan “type J” thermocouples were used. The heat flow exchanged turns out to be:
Dove V e i rappresentano tensione e corrente imposte dagli alimentatori alle celle di Peltier. La conoscenza di questo valore e dell’altezza del provino h ha permesso il calcolo del prodotto tra la conducibilità della schiuma e la superficie a contatto con la cella: Where V and i represent voltage and current imposed by the power supplies on the Peltier cells. The knowledge of this value and the height of the specimen h allowed the calculation of the product between the conductivity of the foam and the surface in contact with the cell:
Preparazione dell’ossido di grafene Preparation of graphene oxide
L’ossido di grafene (GO) è stato sintetizzato a partire da un sottoprodotto della Grafite flakes trattato per via chimica con acido solforico, acido nitrico e permanganato di potassio (metodo Hummers). Il prodotto ottenuto è fortemente idrofilo e quindi facilmente disperdibile in acqua. In soluzione presenta il tipico colore giallo/marrone indice del buon grado di ossidazione del grafene (rapporto C/O 2:1). Le analisi confermano la presenza dei gruppi funzionali sui piani e lungo i bordi del grafene. La dimensione superficiale media va da 1 a 6 micron. Sono state provate soluzioni di GO in acqua a concentrazioni diverse. Il materiale è stato successivamente ridotto mediante annealing termico. Graphene oxide (GO) was synthesized from a by-product of Graphite flakes chemically treated with sulfuric acid, nitric acid and potassium permanganate (Hummers method). The product obtained is highly hydrophilic and therefore easily dispersible in water. In solution it has the typical yellow / brown color, indicating the good degree of oxidation of graphene (C / O ratio 2: 1). The analyzes confirm the presence of the functional groups on the planes and along the edges of the graphene. The average surface size ranges from 1 to 6 microns. GO solutions in water at different concentrations were tested. The material was subsequently reduced by thermal annealing.
Preparazione di nanopiastrine di grafene Preparation of graphene nanoplatelets
Le nanopiastrine di grafene (GNP) sono state preparate a partire da grafite intercalata con acido solforico (Grafite Espandibile). Fornendo energia alla grafite espandibile, sottoforma di calore o di microonde, essa si espande formando dei granuli dalla morfologia worm-like con densità apparente molto bassa (~ 0,005 g/cm<3>). Questo materiale viene bagnato con un solvente e trattato con ultrasuoni per raggiungere la completa esfoliazione dei pacchetti di grafene. Successivamente il materiale viene asciugato ed essiccato in forno sottovuoto. Le dimensioni dei pacchetti di grafene variano in base ai parametri utilizzati in fase di espansione e sonificazione. Gli spessori possono variare da pochi nanometri (few layers) a più di 30 nm. Le dimensioni superficiali variano invece da 5 µm a ~ 200 µm. Il materiale si presenta sottoforma di polvere, in parte volatile, dalla densità apparente che può variare da 0,05 a 0,01 g/cm<3>. Graphene nanoplatelets (GNP) were prepared from graphite intercalated with sulfuric acid (Expandable Graphite). By supplying energy to the expandable graphite, in the form of heat or microwaves, it expands forming granules with a worm-like morphology with very low bulk density (~ 0.005 g / cm <3>). This material is wetted with a solvent and treated with ultrasound to achieve complete exfoliation of the graphene packets. Subsequently the material is dried and dried in a vacuum oven. The dimensions of the graphene packages vary according to the parameters used in the expansion and sonification phase. The thicknesses can vary from a few nanometers (few layers) to more than 30 nm. The surface dimensions vary instead from 5 µm to ~ 200 µm. The material is in the form of powder, partly volatile, with an apparent density that can vary from 0.05 to 0.01 g / cm <3>.
Esempio 1 Example 1
Come materiale di partenza è stata utilizzata una schiuma di alluminio con una porosità di 10 ppi. L’elettrodeposizione è stata suddivisa in tre fasi. Il bagno della prima e terza fase è costituita da: 60g/l di H2SO4, 190 g/l di CuSO4 e 100 ppm di CuCl. Il bagno della seconda fase è costituito da: 250 g/l di CuSO4e 1 g/l di GNP. An aluminum foam with a porosity of 10 ppi was used as the starting material. The electrodeposition was divided into three phases. The bath of the first and third phase consists of: 60g / l of H2SO4, 190 g / l of CuSO4 and 100 ppm of CuCl. The bath of the second phase consists of: 250 g / l of CuSO4 and 1 g / l of GNP.
L’anodo è costituito da un cubo cavo di rame per tutte le fasi. The anode consists of a hollow copper cube for all phases.
I parametri dell’elettrodeposizione per la prima e terza fase sono: The electrodeposition parameters for the first and third phase are:
Corrente = 2,3 A; tempo = 50 minuti e agitazione = 3,5 rpm. Current = 2.3 A; time = 50 minutes and stirring = 3.5 rpm.
I parametri della seconda fase sono: The parameters of the second phase are:
Corrente = 0,02 A; tempo = 30 minuti e agitazione = 3,5 rpm. Current = 0.02 A; time = 30 minutes and stirring = 3.5 rpm.
La temperatura è stata mantenuta costante a 25°C. The temperature was kept constant at 25 ° C.
E’ stata prodotta una schiuma con rivestimento di rame e nanopiastrine (nanoplatelet) di grafene, uniformemente distribuito. La schiuma rivestita così ottenuta ha mostrato, rispetto a quella di alluminio di partenza, un miglioramento della conducibilità termica del 100% ed un miglioramento della tensione di snervamento del 50%. A foam with a copper coating and graphene nanoplatelets was produced, evenly distributed. The so obtained coated foam showed, compared to the starting aluminum one, an improvement of the thermal conductivity of 100% and an improvement of the yield stress of 50%.
Esempio 2 Example 2
La schiuma di alluminio ha una porosità di 10 ppi. L’elettrodeposizione è stata suddivisa in tre fasi. The aluminum foam has a porosity of 10 ppi. The electrodeposition was divided into three phases.
Il bagno della prima e terza fase è costituita da: 60g/l di H2SO4, 190 g/l di CuSO4 e 100 ppm di CuCl. The bath of the first and third phase consists of: 60g / l of H2SO4, 190 g / l of CuSO4 and 100 ppm of CuCl.
Il bagno della seconda fase è costituito da: 250 g/l di CuSO4 e 2g/l di GNP. The bath of the second phase consists of: 250 g / l of CuSO4 and 2g / l of GNP.
L’anodo è costituito da un cubo cavo di rame per tutte le fasi. The anode consists of a hollow copper cube for all phases.
I parametri dell’elettrodeposizione per la prima e terza fase sono: Corrente = 2,3 A ; tempo = 50 minuti e agitazione = 3,5 rpm. The electrodeposition parameters for the first and third phase are: Current = 2.3 A; time = 50 minutes and stirring = 3.5 rpm.
I parametri della seconda fase sono: Corrente = 0,02 A; tempo = 60 minuti e agitazione = 3,5 rpm. The parameters of the second phase are: Current = 0.02 A; time = 60 minutes and stirring = 3.5 rpm.
La temperatura è stata mantenuta costante a 25°C. The temperature was kept constant at 25 ° C.
E’ stata prodotta una schiuma con rivestimento di rame e nanopiastrine (nanoplatelet) di grafene, uniformemente distribuito. La schiuma rivestita così ottenuta ha mostrato, rispetto a quella di alluminio di partenza, un miglioramento della conducibilità termica del 130% ed un miglioramento della tensione di snervamento del 60%. A foam with a copper coating and graphene nanoplatelets was produced, evenly distributed. Compared to the starting aluminum foam, the so obtained coated foam showed an improvement of the thermal conductivity of 130% and an improvement of the yield stress of 60%.
Esempio 3 Example 3
La schiuma di alluminio ha una porosità di 10 ppi. L’elettrodeposizione è stata suddivisa in tre fasi. The aluminum foam has a porosity of 10 ppi. The electrodeposition was divided into three phases.
Il bagno della prima e terza fase è costituita da: 225 g/l di NiSO4, 30 g/l di NiCl2 e 30 g/l di H3BO3 The bath of the first and third phase consists of: 225 g / l of NiSO4, 30 g / l of NiCl2 and 30 g / l of H3BO3
Il bagno della seconda fase è costituito da: 250 g/l di CuSO4 e 2g/l di GNP. The bath of the second phase consists of: 250 g / l of CuSO4 and 2g / l of GNP.
L’anodo è costituito da un cubo cavo di nichel per la prima e la terza fase e da un cubo cavo di rame per la seconda fase. The anode consists of a hollow nickel cube for the first and third phase and a hollow copper cube for the second phase.
I parametri dell’elettrodeposizione per la prima e terza fase sono: Corrente = 1,5 A ; tempo = 60 minuti e agitazione = 3,5 rpm. The electrodeposition parameters for the first and third phase are: Current = 1.5 A; time = 60 minutes and stirring = 3.5 rpm.
I parametri della seconda fase sono: Corrente = 0,02 A; tempo = 60 minuti e agitazione = 3,5 rpm. The parameters of the second phase are: Current = 0.02 A; time = 60 minutes and stirring = 3.5 rpm.
E’ stata prodotta una schiuma con rivestimento costituito da nichel, rame nanoplatelet di grafene, uniformemente distribuito. La schiuma rivestita così ottenuta ha mostrato, rispetto a quella di alluminio di partenza, un miglioramento della conducibilità termica del 70 % ed un miglioramento della tensione di snervamento del 50%. A foam was produced with a coating consisting of nickel, copper nanoplatelet of graphene, uniformly distributed. The so obtained coated foam showed, compared to the starting aluminum one, an improvement of the thermal conductivity of 70% and an improvement of the yield stress of 50%.
Esempio 4 Example 4
Come materiale di partenza è stata utilizzata una schiuma di rame con una porosità di 10 ppi. L’elettrodeposizione è stata suddivisa in due fasi. Il bagno della prima fase è costituito da: 250 g/l di CuSO4e 1 g/l di GNP. Il bagno della seconda fase è costituito da: 60g/l di H2SO4, 190 g/l di CuSO4 e 100 ppm di CuCl. A copper foam with a porosity of 10 ppi was used as the starting material. The electrodeposition was divided into two phases. The bath of the first phase consists of: 250 g / l of CuSO4 and 1 g / l of GNP. The bath of the second phase consists of: 60g / l of H2SO4, 190 g / l of CuSO4 and 100 ppm of CuCl.
L’anodo è costituito da un cubo cavo di rame per tutte le fasi. The anode consists of a hollow copper cube for all phases.
I parametri della prima fase sono: The parameters of the first phase are:
Corrente = 0,01 A; tempo = 60 minuti e agitazione = 3,5 rpm. Current = 0.01 A; time = 60 minutes and stirring = 3.5 rpm.
I parametri dell’elettrodeposizione per la seconda fase sono: The electrodeposition parameters for the second phase are:
Corrente = 2,3 A; tempo = 90 minuti e agitazione = 3,5 rpm. Current = 2.3 A; time = 90 minutes and stirring = 3.5 rpm.
La temperatura è stata mantenuta costante a 25°C. The temperature was kept constant at 25 ° C.
E’ stata prodotta una schiuma con rivestimento di rame e nanopiastrine (nanoplatelet) di grafene, uniformemente distribuito. La schiuma rivestita così ottenuta ha mostrato, rispetto a quella di partenza, un miglioramento della conducibilità termica del 150% ed un miglioramento della tensione di snervamento del 50%. A foam with a copper coating and graphene nanoplatelets was produced, evenly distributed. The so obtained coated foam showed, compared to the starting one, an improvement of the thermal conductivity of 150% and an improvement of the yield stress of 50%.
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