الصفائح النانوية الجرافين توليفها وتفريقها عن طريق التحقيق الصوتي
يمكن تصنيع الصفائح النانوية الجرافين (GNPs) وتفريقها بكفاءة وموثوقية عالية باستخدام الصوتيات. يتم استخدام الموجات فوق الصوتية عالية الكثافة لتقشير الجرافيت والحصول على طبقة قليلة من الجرافين ، وغالبا ما يشار إليها باسم الصفائح الدموية النانوية الجرافين. يتفوق Sonication أيضا في تحقيق توزيع ممتاز للصفائح الدموية النانوية من الجرافين في كل من المعلقات المنخفضة وعالية اللزوجة.
معالجة الصفائح النانوية الجرافين – نتائج متفوقة مع Sonication
بالنسبة لمعالجة الصفائح النانوية من الجرافين ، فإن الصوتيات من نوع المسبار هي الأداة الأكثر كفاءة وموثوقية وسهولة في الاستخدام. نظرا لأنه يمكن تطبيق الموجات فوق الصوتية لتوليف وتشتت وتشغيل الصفائح النانوية من الجرافين ، يتم استخدام الصوتيات للعديد من التطبيقات المتعلقة بالجرافين:
- التقشير والتوليف تستخدم الصوتيات من نوع المسبار لتقشير الجرافيت إلى طبقات قليلة من الجرافين أو الجرافين النانوي. الموجات فوق الصوتية عالية الكثافة تعطل قوى الطبقة البينية وتكسر الجرافيت إلى صفائح فردية أصغر من الجرافين.
- التشتت: يعد تحقيق تشتت موحد للصفائح النانوية للجرافين في وسط سائل أمرا بالغ الأهمية لجميع التطبيقات المتعلقة بالجرافين. يمكن للصوتيات من نوع المسبار تفريق الصفائح النانوية بالتساوي في جميع أنحاء السائل ، مما يمنع التكتل ويضمن تعليقا مستقرا.
- الوظيفية: يسهل Sonication تشغيل الصفائح الدموية النانوية من الجرافين من خلال تعزيز ارتباط المجموعات الوظيفية أو الجزيئات بأسطحها. تعزز هذه الوظيفة توافقها مع بوليمرات أو مواد محددة.
نظام التشتت بالموجات فوق الصوتية للتشتت الصناعي المضمن للصفائح النانوية الجرافين
تخليق الصفائح الدموية النانوية الجرافين عن طريق Sonication
يمكن تصنيع الصفائح النانوية من الجرافين عن طريق تقشير الجرافيت بمساعدة الموجات فوق الصوتية. لذلك ، يتم صوتنة تعليق الجرافيت باستخدام الخالط بالموجات فوق الصوتية من نوع المسبار. تم اختبار هذا الإجراء بتركيزات منخفضة جدا (على سبيل المثال 4٪ بالوزن أو أقل) إلى عالية من المواد الصلبة (على سبيل المثال 10٪ بالوزن أو أعلى).
Ghanem and Rehim (2018) report the ultrasonic exfoliation of graphite in water with the aid of sodium dodecyl benzene sulfonate (SDS) in order to prepare dispersed graphene nanoplatelets using a the probe-type sonicator UP 100H allowed for the successful preparation of defect-free few-layer graphene (>5). The following precursor was used: reduced graphene nanosheets were prepared via Hummer method and treated with two additional steps, oxidation of graphite followed by reduction of graphene oxide. Thereby, dispersed graphene nanoplatelets were obtained in water via solvent dispersion method (see scheme below). Graphite layers were exfoliated with sonication using the probe-type sonicator UP100H (100 W). 0.25 g SDS was dissolved in 150 mL deionized water and then 0.5 g of graphite was added. The graphite solution was sonicated for 12h in an ice bath and then the suspension solution was centrifuged at 686× g for 30 min to remove the large particles. The precipitate was discarded and supernatant was re-centrifuged for 90 min at 12,600× g. The obtained dispersed graphene nanoplatelets were washed well several times to get rid of the surfactant. Finally, the product was dried at 60ºC under vacuum.
صور مجهر إلكتروني انتقال عالية الدقة لصفائح الجرافين النانوية التي تم الحصول عليها
عن طريق تشتت الطور المائي بمساعدة الموجات فوق الصوتية وطريقة هامر.
(دراسة وجرافيك: غانم ورحيم، 2018)
ما هو الفرق بين صفائح الجرافين والصفائح النانوية؟
صفائح الجرافين والصفائح النانوية الجرافين كلاهما مواد نانوية تتكون من الجرافين ، وهي طبقة واحدة من ذرات الكربون مرتبة في شبكة سداسية. في بعض الأحيان ، يتم استخدام صفائح الجرافين والصفائح النانوية الجرافين كمصطلحات قابلة للتبادل. لكن من الناحية العلمية ، هناك بعض الاختلافات بين مواد الجرافين النانوية هذه: يكمن الاختلاف الأساسي بين صفائح الجرافين والصفائح النانوية للجرافين في هيكلها وسمكها. تتكون صفائح الجرافين من طبقة واحدة من ذرات الكربون وهي رقيقة بشكل استثنائي ، في حين أن صفائح الجرافين النانوية أكثر سمكا وتتكون من طبقات جرافين متعددة مكدسة. يمكن أن تؤثر هذه الاختلافات الهيكلية على خصائصها ومدى ملاءمتها لتطبيقات محددة. يعد استخدام الصوتنات من نوع المسبار تقنية فعالة وفعالة للغاية لتجميع وتفريق وتشغيل صفائح الجرافين أحادية الطبقة بالإضافة إلى صفائح الجرافين النانوية المكدسة قليلة الطبقات.
تصور الرسم التوليف بالموجات فوق الصوتية من الصفائح الدموية النانوية الجرافين باستخدام صوتنة UP100H
(دراسة وجرافيك: غانم ورحيم، 2018)
مسبار نوع صوتي UP400St لإعداد مشتتات الصفائح النانوية الجرافين
تشتت الصفائح النانوية الجرافين باستخدام Sonication
يعد التشتت المنتظم للصفائح النانوية الجرافين (GNPs) أمرا بالغ الأهمية في التطبيقات المختلفة لأنه يؤثر بشكل مباشر على خصائص وأداء المواد أو المنتجات الناتجة. لذلك ، يتم تثبيت صوتيات لتشتت الصفائح النانوية الجرافين في مختلف الصناعات. الصناعات التالية هي أمثلة بارزة لاستخدام الموجات فوق الصوتية للطاقة:
- مركبات النانو: يمكن دمج الصفائح النانوية الجرافين في العديد من المواد المركبة النانوية ، مثل البوليمرات ، لتعزيز خصائصها الميكانيكية والكهربائية والحرارية. تساعد الصوتيات من نوع المسبار في تشتيت الصفائح النانوية بشكل موحد داخل مصفوفة البوليمر ، مما يؤدي إلى تحسين أداء المواد.
- الأقطاب الكهربائية والبطاريات: تستخدم الصفائح النانوية الجرافين في تطوير أقطاب كهربائية عالية الأداء للبطاريات والمكثفات الفائقة. يساعد Sonication في إنشاء مواد أقطاب كهربائية مشتتة جيدا قائمة على الجرافين مع زيادة مساحة السطح ، مما يحسن قدرات تخزين الطاقة.
- الحفز: يمكن استخدام Sonication لإعداد المواد التحفيزية على أساس الصفائح النانوية الجرافين. يمكن أن يؤدي التشتت المنتظم للجسيمات النانوية التحفيزية على سطح الجرافين إلى تعزيز النشاط التحفيزي في التفاعلات المختلفة.
- اجهزه الاستشعار: يمكن استخدام الصفائح النانوية الجرافين في تصنيع أجهزة الاستشعار لمختلف التطبيقات ، بما في ذلك استشعار الغاز والاستشعار الحيوي والمراقبة البيئية. يضمن Sonication التوزيع المتجانس للصفائح الدموية النانوية في مواد الاستشعار ، مما يؤدي إلى تحسين الحساسية والأداء.
- الطلاءات والأفلام: تستخدم الصوتيات من نوع المسبار لإعداد الطلاءات والأفلام القائمة على الجرافين النانوي للتطبيقات في الإلكترونيات والفضاء والطلاءات الواقية. التشتت المنتظم والالتصاق المناسب بالركائز أمران حاسمان لهذه التطبيقات.
- التطبيقات الطبية الحيوية: في التطبيقات الطبية الحيوية ، يمكن استخدام الصفائح النانوية الجرافين لتوصيل الأدوية والتصوير وهندسة الأنسجة. يساعد Sonication في تحضير الجسيمات النانوية القائمة على الجرافين والمركبات المستخدمة في هذه التطبيقات.
صور SEM للصفائح الدموية النانوية الجرافين في (ب) X3000 و (ج) X8000
(دراسة وصور: ©علي زاده وآخرون ، 2018)
نتائج مثبتة علميا لتشتت الصفائح النانوية الجرافين بالموجات فوق الصوتية
وقد استخدم العلماء صوتيات Hielscher لتوليف وتشتت الصفائح النانوية الجرافين في العديد من الدراسات واختبرت آثار الموجات فوق الصوتية بقوة. أدناه ، يمكنك العثور على بعض الأمثلة على الخلط الناجح للصفائح النانوية الجرافين في مخاليط مختلفة مثل الملاط المائي أو الراتنجات المعرضة أو الملاط.
الإجراء الشائع للتشتت المنتظم والسريع للصفائح النانوية الجرافين هو الإجراء التالي:
للتشتت ، تم صوتنة الصفائح النانوية الجرافين داخل الأسيتون النقي باستخدام خلاط الموجات فوق الصوتية Hielscher UP400S لمدة ساعة واحدة تقريبا من أجل منع تكتل صفائح الجرافين. تمت إزالة الأسيتون بالكامل عن طريق التبخر. بعد ذلك ، تمت إضافة الصفائح النانوية الجرافين بنسبة 1٪ بالوزن من نظام الإيبوكسي وتم صوتنها في راتنجات الايبوكسي عند 90 واط لمدة 15 دقيقة.
(راجع Cakir et al. ، 2016)
تبحث دراسة أخرى في تعزيز السوائل النانوية الأيونية السائلة (الموائع الأيونية) عن طريق إضافة صفائح الجرافين النانوية. من أجل تشتت فائق ، تم تجانس خليط الصفائح النانوية الجرافين والسائل الأيوني وسلفونات دوديسيل بنزين الصوديوم باستخدام جهاز صوتي من نوع مسبار Hielscher UP200S لمدة 90 دقيقة تقريبا.
(راجع علي زاده وآخرون ، 2018)
Tragazikis et al. (2019) تقرير عن الدمج الفعال للصفائح النانوية الجرافين في الملاط. لذلك ، تم إنتاج معلقات الجرافين المائية عن طريق إضافة الصفائح الدموية النانوية - في الأوزان المنقوشة بالمحتويات المستهدفة المرغوبة في المواد الناتجة - في مخاليط من ماء الصنبور العادي والملدنات والتحريك المغناطيسي اللاحق لمدة 2 دقيقة. تم تجانس المعلقات عن طريق الموجات فوق الصوتية لمدة 90 دقيقة في درجة حرارة الغرفة ، باستخدام جهاز Hielscher UP400S (Hielscher Ultrasonics GmbH) المجهز ب 22mm-sonotrode توفير إنتاجية طاقة تبلغ 4500 J / min بتردد 24 كيلو هرتز. تم تأسيس مزيج محدد من معدل الطاقة ومدة صوتنة على النحو الأمثل بعد التحقيق الدقيق في تأثير المعلمات ultrasonication من جودة التعليق.
(راجع تراغازيكيس وآخرون ، 2019)
يذكر Zainal et al. (2018) في بحثهم أن تقنية التشتت المناسبة مثل الصوتنة تضمن أن المواد النانوية مثل الصفائح النانوية الجرافين يمكن أن تعزز خصائص مواد الردم. هذا يرجع إلى حقيقة أن التشتت هو أحد أهم العوامل لإنتاج مركبات نانوية عالية الجودة مثل الجص الايبوكسي.
عينة من BMIM-PF6 النقي (يسار) والسوائل الأيونية المحضرة بالموجات فوق الصوتية عند 2٪ بالوزن (يمين).
(دراسة وصور: ©علي زاده وآخرون ، 2018)
أجهزة سونيك عالية الأداء لمعالجة الصفائح النانوية من الجرافين
Hielscher Ultrasonics هي الشركة الرائدة في السوق عندما يتعلق الأمر بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء لمعالجة المواد النانوية. تستخدم صوتيات مسبار Hielscher في جميع أنحاء العالم في المختبرات والإعدادات الصناعية لمختلف التطبيقات ، بما في ذلك معالجة الصفائح النانوية الجرافين.
الدولة من بين الفن، والحرفية الألمانية والهندسة، فضلا عن الخبرة التقنية لفترة طويلة تجعل Hielscher الموجات فوق الصوتية الشريك المفضل لديك لتطبيق الموجات فوق الصوتية ناجحة.
- كفاءة عالية
- أحدث التقنيات
- موثوقيه & متانه
- تحكم دقيق وقابل للتعديل في العملية
- الدفعه & مضمنه
- لأي وحدة تخزين
- برنامج ذكي
- الميزات الذكية (على سبيل المثال ، قابلة للبرمجة ، وبروتوكول البيانات ، والتحكم عن بعد)
- سهل وآمن للعمل
- صيانة منخفضة
- التنظيف المكاني (التنظيف المكاني)
التصميم والتصنيع والاستشارات – جودة صنع في ألمانيا
Hielscher الموجات فوق الصوتية معروفة جيدا لأعلى معايير الجودة والتصميم. المتانة والتشغيل السهل تسمح بالتكامل السلس للموجات فوق الصوتية لدينا في المنشآت الصناعية. يتم التعامل بسهولة مع الظروف القاسية والبيئات الصعبة بواسطة الموجات فوق الصوتية Hielscher.
Hielscher Ultrasonics هي شركة حاصلة على شهادة الأيزو وتركز بشكل خاص على الموجات فوق الصوتية عالية الأداء التي تتميز بأحدث التقنيات وسهولة الاستخدام. بطبيعة الحال، الموجات فوق الصوتية Hielscher هي CE المتوافقة وتلبية متطلبات UL، وكالة الفضاء الكندية وبنفايات.
يمنحك الجدول أدناه مؤشرا على قدرة المعالجة التقريبية لأجهزة الموجات فوق الصوتية لدينا:
| حجم الدفعة | معدل التدفق | الأجهزة الموصى بها |
|---|---|---|
| 0.5 إلى 1.5 مل | ن.أ. | VialTweeter | 1 إلى 500 مل | 10 إلى 200 مل / دقيقة | UP100H |
| 10 إلى 2000 مل | 20 إلى 400 مل / دقيقة | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 إلى 20 لتر | 0.2 إلى 4 لتر / دقيقة | UIP2000hdT |
| 10 إلى 100 لتر | 2 إلى 10 لتر / دقيقة | UIP4000hdT |
| 15 إلى 150 لتر | 3 إلى 15 لتر / دقيقة | UIP6000hdT |
| ن.أ. | 10 إلى 100 لتر / دقيقة | UIP16000 |
| ن.أ. | أكبر | مجموعة من UIP16000 |
اتصل بنا! / اسألنا!
Hielscher Ultrasonics بتصنيع المجانسات بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء لخلط التطبيقات، والتشتت، والاستحلاب والاستخراج على المختبر، التجريبية والصناعية النطاق.
الأدب / المراجع
- Ghanem, A.F.; Abdel Rehim, M.H. (2018): Assisted Tip Sonication Approach for Graphene Synthesis in Aqueous Dispersion. Biomedicines 6, 63; 2018.
- Zainal, Nurfarahin; Arifin, Hanis; Zardasti, Libriati; Yahaya, Nordin; Lim, Kar Sing; Lai, Jian; Noor, Norhazilan (2018): Tensile Properties of Epoxy Grout Incorporating Graphene Nanoplatelets for Pipeline Repair. MATEC Web of Conferences, 2018.
- Ferit Cakir, Habib Uysal, Volkan Acar (2016): Experimental modal analysis of masonry arches strengthened with graphene nanoplatelets reinforced prepreg composites. Measurement, Volume 90, 2016. 233-241.
- Jalal Alizadeh, Mostafa Keshavarz Moraveji (2018): An experimental evaluation on thermophysical properties of functionalized graphene nanoplatelets ionanofluids. International Communications in Heat and Mass Transfer, Volume 98, 2018. 31-40.
- Ilias Κ. Tragazikis, Konstantinos G. Dassios, Panagiota T. Dalla, Dimitrios A. Exarchos (2019): Theodore E. Matikas (2019): Acoustic emission investigation of the effect of graphene on the fracture behavior of cement mortars. Engineering Fracture Mechanics, Volume 210, 2019. 444-451.
- Matta, S.; Rizzi, L.G.; Frache, A. (2021): PET Foams Surface Treated with Graphene Nanoplatelets: Evaluation of Thermal Resistance and Flame Retardancy. Polymers 2021, 13, 501.
حقائق تستحق المعرفة
صفائح الجرافين مقابل الصفائح النانوية الجرافين
كل من صفائح الجرافين والصفائح النانوية الجرافين هي هياكل نانوية مشتقة من الجرافيت. يسلط الجدول أدناه الضوء على أبرز الاختلافات بين صفائح الجرافين والصفائح النانوية الجرافين.
| التمايز | صفائح الجرافين | الجرافين النانوية |
|---|---|---|
| هيكل | عادة ما تكون صفائح الجرافين عبارة عن طبقات مفردة من الجرافين ذات بنية ثنائية الأبعاد. يمكن أن تكون كبيرة جدا ومستمرة ، وتمتد على المناطق العيانية. | الصفائح النانوية الجرافين أصغر وأكثر سمكا مقارنة بألواح الجرافين الفردية. وهي تتكون من طبقات متعددة من الجرافين مكدسة فوق بعضها البعض ، وتشكل هياكل تشبه الصفائح الدموية. يمكن أن يختلف عدد الطبقات في الصفائح النانوية ، ولكنه عادة ما يكون في نطاق بضع إلى عدة عشرات من الطبقات |
| سمك | هذه هياكل جرافين أحادية الطبقة ، لذا فهي رقيقة للغاية ، وعادة ما يكون سمكها ذرة واحدة فقط. | هذه أكثر سمكا من صفائح الجرافين أحادية الطبقة لأنها تتكون من طبقات جرافين متعددة مكدسة معا. يعتمد سمك الصفائح النانوية من الجرافين على عدد الطبقات التي تحتوي عليها. |
| خصائص | تتميز صفائح الجرافين أحادية الطبقة بخصائص استثنائية ، مثل التوصيل الكهربائي العالي والتوصيل الحراري والقوة الميكانيكية. كما أنها تظهر خصائص إلكترونية فريدة ، مثل تأثيرات الحبس الكمومي. | تحتفظ الصفائح النانوية من الجرافين ببعض الخصائص الممتازة للجرافين ، مثل الموصلية الكهربائية والحرارية العالية ، ولكنها قد لا تكون استثنائية مثل الجرافين أحادي الطبقة في هذه الجوانب بسبب وجود طبقات متعددة. ومع ذلك ، فإنها لا تزال تقدم مزايا على مواد الكربون التقليدية. |
| التطبيقات | تحتوي صفائح الجرافين أحادية الطبقة على مجموعة واسعة من التطبيقات المحتملة ، بما في ذلك في الإلكترونيات والمركبات النانوية وأجهزة الاستشعار والمزيد. غالبا ما تستخدم لخصائصها الإلكترونية الاستثنائية. | تستخدم الصفائح النانوية الجرافين في تطبيقات مختلفة ، مثل مواد التسليح في المركبات ومواد التشحيم وأجهزة تخزين الطاقة وكإضافات لتحسين خصائص المواد الأخرى. هيكلها السميك يجعلها أسهل في التشتت في مصفوفات معينة مقارنة بالجرافين أحادي الطبقة. |
Hielscher الفوق صوتيات بتصنيع الخالط بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء من المختبر ل الحجم الصناعي.