تشتيت الغرافين بالموجات فوق الصوتية

لإدماج الغرافين في المواد المركبة، من الضروري تشتيته أو تقشيره إلى صفائح نانوية منفردة موزعة بالتساوي في كامل التركيبة. وكلما كان تفكيك تكتلات الغرافين أكثر اكتمالًا، أمكن الاستفادة بصورة أفضل من خصائصه المادية الاستثنائية. يوفر التشتيت بالموجات فوق الصوتية توزيعًا متفوقًا للجسيمات وثباتًا ممتازًا للتشتت، حتى عند التراكيز واللزوجات المرتفعة. وتوفر هذه الطريقة جودة تشتيت استثنائية تتجاوز بكثير تقنيات الخلط التقليدية.

تشتيت الغرافين بالموجات فوق الصوتية

لإكساب المواد المركبة خصائص الغرافين الاستثنائية، مثل قوته، يجب تشتيت الغرافين بالتساوي داخل مصفوفة أو تطبيقه كطلاء بغشاء رقيق على ركيزة. وتشمل العوامل الرئيسية المؤثرة في خصائص المادة الناتجة التكتل والترسيب والتشتت داخل المصفوفة أو توزيع الجسيمات على الركيزة.
نظرًا إلى طبيعة الغرافين الكارهة للماء، يمثل تحضير تشتت ثابت وعالي التركيز دون مواد خافضة للتوتر السطحي أو عوامل تشتيت تحديًا. ويتطلب التغلب على قوى فان دير فالس قوى قص قوية يمكن توليدها بفاعلية بواسطة التجويف بالموجات فوق الصوتية. وهذه الطريقة هي الأكثر تطورًا لتحضير مشتتات ثابتة.

MultiSonoReactor MSR-5 مجهز بأجهزة معالجة بالموجات فوق الصوتية بتكوين 5x 4kW لمعالجة الغرافين بمعدل معالجة مرتفع

أجهزة معالجة صناعية بالموجات فوق الصوتية لتشتيت الغرافين بمعدل معالجة مرتفع.

تعلم كيفية إنتاج غرافين أحادي الطبقة عالي الجودة باستخدام التقشير بالموجات فوق الصوتية بواسطة أجهزة معالجة عالية القدرة مزودة بمسبار. تُعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية طريقة سهلة وفعالة وقابلة للتوسع لإنتاج مشتتات الغرافين بمردود مرتفع وجودة ممتازة للصفائح.

باستخدام جهاز تشتيت بالموجات فوق الصوتية، مثل جهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية UIP2000hdT بقدرة 2kW، أو UIP4000hdT بقدرة 4kW، أو UIP6000hdT بقدرة 6kW، أو UIP16000hdT بقدرة 16kW، يمكن بسهولة تحضير غرافين ذي موصلية كهربائية عالية (712 S·m-1)، وقابلية جيدة للتشتت، وتركيز مرتفع. وتتيح المعالجة بالموجات فوق الصوتية أيضًا تحضير تشتت ثابت للغرافين عند درجة حرارة معالجة منخفضة تبلغ نحو 65°C.

يمكن العثور هنا على مزيد من المعلومات والتفاصيل التقنية حول أجهزة Hielscher الصناعية للمعالجة بالموجات فوق الصوتية من نوع المسبار لتقشير الغرافين وتشتيته:

تتيح جميع أجهزة Hielscher للمعالجة بالموجات فوق الصوتية التحكم الدقيق في جميع معلمات العملية المهمة، وتتجنب تقنية التشتيت بالموجات فوق الصوتية إتلاف البنى الكيميائية والبلورية للغرافين – مما ينتج رقائق غرافين بكرًا وخالية من العيوب.
تستطيع أجهزة Hielscher القوية للمعالجة بالموجات فوق الصوتية معالجة الغرافين والغرافيت بأحجام كبيرة، على سبيل المثال لتقشيرهما في الطور السائل وتشتيت الغرافين. ويتيح التحكم الدقيق في معلمات العملية التوسع السلس في عمليات المعالجة بالموجات فوق الصوتية من الأجهزة المنضدية إلى الإنتاج التجاري الكامل.
يمكن تشتيت الغرافين قليل الطبقات المقشر بالموجات فوق الصوتية، الذي يتكون من نحو 3–4 طبقات ويبلغ حجمه نحو 1μm، أو إعادة تشتيته بتراكيز لا تقل عن 63 mg/mL.

يمكن تخليق صفائح الغرافين النانوية وتشتيتها بنجاح بواسطة المعالجة بالموجات فوق الصوتية.

صور بالمجهر الإلكتروني الماسح (SEM) لصفائح الغرافين النانوية عند (b) X3000 و(c) X8000
(الدراسة والصور: ©Alizadeh وآخرون، 2018)

المزايا:

غرافين عالي الجودة
معدل معالجة مرتفع / مردود مرتفع
تشتت متجانس
تركيز مرتفع
لزوجات مرتفعة
عملية سريعة
تكلفة منخفضة
كفاءة عالية جدًا
صديق للبيئة

نظام تشتيت بالموجات فوق الصوتية عالي القدرة (7x UIP1000hdT) لمعالجة الغرافين على نطاق صناعي. (انقر للتكبير!)

مفاعل بالموجات فوق الصوتية بقدرة 7kW لمشتتات الغرافين

مجانسات وأجهزة تشتيت بالموجات فوق الصوتية للغرافين

توفر Hielscher Ultrasonics أنظمة موجات فوق صوتية عالية القدرة لتقشير الغرافين والغرافيت ذوي البنية الكتلية الطبقية وتشتيتهما إلى غرافين أحادي الطبقة وثنائي الطبقات وقليل الطبقات. وتوفر أجهزة المعالجة الموثوقة بالموجات فوق الصوتية والمفاعلات المتطورة لدى الشركة القدرة اللازمة والتحكم الدقيق لتحقيق أهداف محددة للعملية.

تعد سعة الاهتزاز فوق الصوتي من أهم معلمات العملية، وهي الإزاحة الاهتزازية عند البوق فوق الصوتي. وقد صُممت أجهزة Hielscher الصناعية للمعالجة بالموجات فوق الصوتية لتوفير سعات اهتزاز عالية جدًا، مع تشغيل مستمر عند سعات تصل إلى 200µm. وتتوفر مسابير فوق صوتية مخصصة لتحقيق سعات أعلى. ويمكن ضبط معلمات العملية لجميع أجهزة Hielscher للمعالجة بالموجات فوق الصوتية بدقة وفق ظروف العملية المطلوبة ومراقبتها عبر برنامج مدمج، مما يضمن موثوقية عالية وجودة ثابتة ونتائج قابلة لإعادة الإنتاج. وقد صُممت أجهزة Hielscher للمعالجة بالموجات فوق الصوتية ببنية متينة للتشغيل على مدار 24/7 في البيئات الصعبة، مما يجعل المعالجة بالموجات فوق الصوتية التقنية المفضلة للإنتاج واسع النطاق لصفائح الغرافين النانوية أحادية الطبقة وقليلة الطبقات.

تقدم Hielscher مجموعة واسعة من أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية وملحقاتها، بما فيها سونوترودات ومفاعلات بأحجام وأشكال هندسية متنوعة. ويتيح ذلك اختيار ظروف التفاعل والعوامل المثلى، مثل الكواشف والطاقة فوق الصوتية المدخلة لكل وحدة حجم والضغط ودرجة الحرارة ومعدل التدفق، لتحقيق أعلى جودة. ويمكن ضغط مفاعلاتها فوق الصوتية إلى عدة مئات من barg، مما يجعل معالجة المعاجين عالية اللزوجة (حتى 250,000 سنتيبواز) بالموجات فوق الصوتية ممكنة.

تجعل هذه الإمكانات فصل الطبقات والتقشير والتشتيت بالموجات فوق الصوتية متفوقة على تقنيات الطحن والسحق التقليدية.

تصنع Hielscher Ultrasonics أفضل أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية. وهي تتميز بالقدرة والتقنية المتطورة والموثوقية.

أجهزة Hielscher للمعالجة بالموجات فوق الصوتية هي أكثر المجانسات بالموجات فوق الصوتية تطورًا في السوق. استفد من المزايا العديدة التي توفرها أجهزة Hielscher للمعالجة بالموجات فوق الصوتية!

أنتج تقشير الغرافيت باستخدام جهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية من نوع المسبار UP100H صفائح غرافين نانوية بكرًا

رسم يوضح تخليق صفائح الغرافين النانوية بالموجات فوق الصوتية باستخدام جهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية UP100H
(الدراسة والرسم: Ghanem وRehim، 2018)

أجهزة Hielscher للمعالجة بالموجات فوق الصوتية للغرافين:

موجات فوق صوتية عالية القدرة
قوى قص عالية
إمكانية تطبيق ضغوط مرتفعة
تحكم دقيق
قابلية توسع سلسة (خطية)
معالجة على دفعات وبالتدفق المستمر
نتائج قابلة لإعادة الإنتاج
موثوقية
متانة
كفاءة طاقة عالية

موضوعات ذات صلة

حقائق جديرة بالمعرفة

ما الغرافين؟

الغرافين طبقة من الكربون بسمك ذرة واحدة، ويمكن وصفه بأنه بنية أحادية الطبقة أو ثنائية الأبعاد (2D) من الغرافين (الغرافين أحادي الطبقة = SLG). ويتميز الغرافين بمساحة سطحية نوعية كبيرة للغاية وخصائص ميكانيكية متفوقة (معامل يونغ يبلغ 1 TPa وقوة ذاتية تبلغ 130 GPa)، ويوفر موصلية إلكترونية وحرارية ممتازة، وحركية عالية لحاملات الشحنة، وشفافية، كما أنه غير منفذ للغازات. وبفضل هذه الخصائص المادية، يُستخدم الغرافين مادة مضافة للتدعيم لإكساب المواد المركبة قوته وموصليته وغير ذلك. ولدمج خصائص الغرافين مع مواد أخرى، يجب تشتيته داخل المركب أو تطبيقه كطلاء بغشاء رقيق على ركيزة.
تشمل المذيبات الشائعة التي تُستخدم غالبًا كطور سائل لتشتيت صفائح الغرافين النانوية ثنائي ميثيل السلفوكسيد (DMSO) ، وN,N-ثنائي ميثيل فورماميد (DMF)، وN-ميثيل-2-بيروليدون (NMP)، ورباعي ميثيل اليوريا (TMU، ورباعي هيدرو الفوران (THF)، وpropylene carbonateacetone (PC)، والإيثانول، والفورماميد.

هل يمكن تشتيت الغرافين في الماء؟

نعم، يمكن تشتيت الغرافين في الماء باستخدام مواد خافضة للتوتر السطحي أو بوليمرات أو عوامل تثبيت أخرى لمنع التجمع والحفاظ على ثبات التشتت. وتؤدي معدات التشتيت الموثوقة، مثل أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من نوع المسبار، دورًا حاسمًا أيضًا في تشتيت الغرافين باستخدام الطاقة فوق الصوتية لتفكيك التكتلات وتقليل حجم جسيمات الغرافين، مما يعزز تشتتًا أكثر تجانسًا وثباتًا في الوسط السائل.

هل يمكن أن يذوب أكسيد الغرافين في الماء؟

نعم، يمكن أن يذوب أكسيد الغرافين في الماء بفضل مجموعاته الوظيفية المحتوية على الأكسجين، التي تعزز ألفته للماء وتتيح له تكوين مشتتات مائية ثابتة.

ما أفضل مذيب لتشتيت الغرافين؟

أفضل مذيب لتشتيت الغرافين هو N-ميثيل-2-بيروليدون (NMP)، نظرًا إلى قطبيته العالية وقدرته على تثبيت صفائح الغرافين، مما ينتج تشتتًا متجانسًا وثابتًا.

لماذا لا يذوب الغرافين في الماء؟

لا يذوب الغرافين في الماء لأنه يفتقر إلى مجموعات وظيفية يمكنها التفاعل مع جزيئات الماء، مما يجعله كارهًا للماء ومعرضًا للتجمع بسبب قوى فان دير فالس القوية بين صفائح الغرافين.

لماذا يُستخدم الغرافين في المواد المركبة؟

الغرافين، بسمكه البالغ ذرة واحدة، هو أرق مادة، وبوزنه البالغ نحو 0.77 mg لكل 1m² هو أخف مادة، وبصلابته تحت الشد البالغة 150,000,000 psi (أقوى من الفولاذ بمقدار 100–300 مرة) ومقاومته للشد البالغة 130,000,000,000 باسكال، هو أقوى مادة معروفة.
علاوة على ذلك، يُعد الغرافين أفضل موصل حراري (عند درجة حرارة الغرفة بقيمة تتراوح من (4.84±0.44) × 10³ إلى (5.30±0.48) × 10³ W·m^-11·K^-1) وأفضل موصل كهربائي (حركية إلكترونية أعلى من 15,000 cm²·V^-1·s^-1).
ومن خصائص الغرافين المهمة الأخرى خصائصه البصرية، إذ يمتص مقدارًا يبلغ πα≈2.3% من الضوء الأبيض، ويتميز بمظهره الشفاف.
من خلال إدماج الغرافين في المصفوفات، يمكن نقل هذه الخصائص المادية الاستثنائية إلى المادة المركبة الناتجة، التي توفر وظائف فريدة. وتتيح هذه المواد المركبة المدعمة بالغرافين إمكانات جديدة لتطوير المواد والتطبيقات الصناعية. وبفضل خصائصه، أصبح الغرافين والمواد المركبة المحتوية عليه مستخدمين على نطاق واسع في تصنيع البطاريات عالية الأداء والمكثفات الفائقة والأحبار الموصلة والطلاءات والأنظمة الكهروضوئية والأجهزة الإلكترونية.
توفر أجهزة Hielscher للمعالجة بالموجات فوق الصوتية قوى القص العالية المطلوبة للتغلب على قوى فان دير فالس وتوزيع صفائح الغرافين النانوية بالتساوي داخل مصفوفات المواد المركبة. وتُستخدم أجهزة التشتيت بالموجات فوق الصوتية، مثل UIP2000hdT أو UIP16000، لإنتاج مواد مركبة نانوية مدعمة بالغرافين وأكسيد الغرافين.

المؤلفات/المراجع

FactSheet: Ultrasonic Graphene Exfoliation and Dispersion – Hielscher Ultrasonics – english version
FactSheet: Exfoliación y Dispersión de Grafeno por Ultrasonidos – Hielscher Ultrasonics – spanish version
Ivanov R., Hussainova I., Aghayan M., Petrov M. (2014): Graphene Coated Alumina Nanofibres as Zirconia Reinforcement. 9th International DAAAM Baltic Conference of industrial Engineering 24-26 April 2014, Tallinn, Estonia.
Adam K. Budniak, Niall A. Killilea, Szymon J. Zelewski, Mykhailo Sytnyk, Yaron Kauffmann, Yaron Amouyal, Robert Kudrawiec, Wolfgang Heiss, Efrat Lifshitz (2020): Exfoliated CrPS₄ with Promising Photoconductivity. Small Vol.16, Issue1. January 9, 2020.
Štengl V., Henych J., Slušná M., Ecorchard P. (2014): Ultrasound exfoliation of inorganic analogues of graphene. Nanoscale Research Letters 9(1), 2014.

موجات فوق صوتية عالية الأداء! تغطي مجموعة منتجات Hielscher النطاق الكامل، بدءًا من جهاز المعالجة المختبري المدمج بالموجات فوق الصوتية، مرورًا بالوحدات المنضدية، وصولًا إلى أنظمة الموجات فوق الصوتية الصناعية الكاملة.

تصنع Hielscher Ultrasonics مجانسات عالية الأداء بالموجات فوق الصوتية بأحجام تتراوح من الأحجام المختبرية إلى الأحجام الصناعية.

تشتيت الغرافين بالموجات فوق الصوتية