Απολέπιση υδατοδιασπάρσιμου γραφενίου με υπερήχους
- Μονοστρωματικά και διστρωματικά νανοφύλλα γραφενίου μπορούν να παραχθούν γρήγορα μέσω απολέπισης με υπερήχους, με υψηλή παραγωγικότητα και χαμηλό κόστος.
- Το γραφένιο που έχει απολεπιστεί με υπερήχους μπορεί να λειτουργικοποιηθεί με βιοπολυμερή, ώστε να ληφθεί υδατοδιασπάρσιμο γραφένιο.
- Μέσω σπηλαίωσης με υπερήχους, το συντεθειμένο γραφένιο μπορεί να υποστεί περαιτέρω επεξεργασία και να μετατραπεί σε σταθερή διασπορά με βάση το νερό.
Απολέπιση γραφενίου υψηλής ποιότητας με υπερήχους
Η κατεργασία με υπερήχους είναι μια αξιόπιστη μέθοδος παραγωγής στρωμάτων γραφενίου (μονοστρωματικού, διστρωματικού και ολιγοστρωματικού γραφενίου) από νιφάδες ή σωματίδια γραφίτη. Ενώ άλλες συνήθεις τεχνικές απολέπισης, όπως οι σφαιρόμυλοι, οι κυλινδρόμυλοι ή οι αναμικτήρες υψηλής διάτμησης, συνδέονται με χαμηλή ποιότητα και τη χρήση δραστικών αντιδραστηρίων και διαλυτών, η μέθοδος απολέπισης με υπερήχους ξεχωρίζει για την υψηλή ποιότητα του παραγόμενου προϊόντος, την υψηλή δυναμικότητα επεξεργασίας και τις ήπιες συνθήκες επεξεργασίας.
Η σπηλαίωση με υπερήχους δημιουργεί έντονες δυνάμεις διάτμησης, οι οποίες διαχωρίζουν τα στοιβαγμένα στρώματα γραφίτη σε μονοστρωματικό, διστρωματικό και ολιγοστρωματικό γραφένιο χωρίς ατέλειες.
Υδατοδιασπάρσιμα φύλλα γραφενίου μέσω κατεργασίας με υπερήχους
Η κατεργασία με υπερήχους είναι μια αποτελεσματική διαδικασία με επαναλήψιμα αποτελέσματα για την αποσύμπλεξη νανοσωλήνων άνθρακα σε νερό ή οργανικούς διαλύτες.[/caption]Υπό κανονικές συνθήκες, το γραφένιο διασπείρεται δύσκολα στο νερό και σχηματίζει συσσωματώματα και συσσωματώσεις όταν διασπείρεται σε υδατικό μέσο. Καθώς τα υδατικά συστήματα έχουν σημαντικά πλεονεκτήματα, όπως το χαμηλό κόστος, η μη τοξικότητα και η φιλικότητα προς το περιβάλλον, τα συστήματα γραφενίου με βάση το νερό είναι ιδιαίτερα ελκυστικά για τους κατασκευαστές γραφενίου και τη βιομηχανία μεταγενέστερων σταδίων επεξεργασίας.
Για να ληφθούν υδατοδιασπάρσιμα νανοφύλλα γραφενίου, το γραφένιο που έχει απολεπιστεί με υπερήχους τροποποιείται με πολυσακχαρίτες / βιοπολυμερή όπως η πουλλουλάνη, η χιτοζάνη, τα αλγινικά, η ζελατίνη ή το αραβικό κόμμι.
- γραφένιο υψηλής ποιότητας
- υψηλή απόδοση
- διασπορά με βάση το νερό
- υψηλή συγκέντρωση
- υψηλή αποδοτικότητα
- ταχεία διαδικασία
- χαμηλό κόστος
- υψηλή παραγωγικότητα
- φιλικό προς το περιβάλλον
Αντιδραστήρας υπερήχων με συσκευές υπερήχων τύπου καθετήρα για απολέπιση γραφενίου σε βιομηχανική κλίμακα
Πρωτόκολλο άμεσης απολέπισης γραφίτη με χρήση υπερήχων
Μη ιοντική πουλλουλάνη και ανιονικό αλγινικό (1,0 g) διαλύθηκαν χωριστά σε 20 ml απεσταγμένου νερού, ενώ κατιονική χιτοζάνη (0,4 g) διαλύθηκε σε 20 ml απεσταγμένου νερού με 1 wt% οξικό οξύ. Σκόνη γραφίτη διασπάρθηκε στα υδατικά διαλύματα βιοπολυμερών και υποβλήθηκε σε κατεργασία με συσκευή υπερήχων τύπου καθετήρα UP200S (μέγιστη ισχύς 200 W, συχνότητα 24 kHz, Hielscher Ultrasonics, Γερμανία), εξοπλισμένη με ηχοτρόδιο τιτανίου (μικροάκρο S3, διάμετρος άκρου 3 mm, μέγιστο πλάτος ταλάντωσης 210µm, πυκνότητα ακουστικής ισχύος ή επιφανειακή ένταση 460 W cm-2), υπό τις ακόλουθες συνθήκες: κύκλος 0,5 και πλάτος ταλάντωσης 50%, για χρονικό διάστημα 10, 20, 30 και 60 min, αντίστοιχα. Τα καλύτερα αποτελέσματα επιτεύχθηκαν με κατεργασία με υπερήχους διάρκειας 30min. Η κατεργασία με υπερήχους εφαρμόστηκε με ισχύ 16,25 W για 30 λεπτά, με κατανάλωση ενέργειας (αποδιδόμενη ενέργεια ανά μονάδα όγκου) 731 Ws ml-1.
Στη συνέχεια, τα μείγματα φυγοκεντρήθηκαν στις 1500 rpm για 60 min για την απομάκρυνση των μη απολεπισμένων σωματιδίων γραφίτη και κατόπιν πλύθηκαν 5 φορές και φυγοκεντρήθηκαν ξανά στις 5000 rpm για 20 min για την απομάκρυνση της περίσσειας βιοπολυμερών. Τα προκύπτοντα σκούρα γκρίζα διαλύματα ξηράνθηκαν υπό κενό στους 40ºC έως ότου έπαψε η απώλεια μάζας. Οι προκύπτουσες σκόνες πολυμερούς–γραφενίου επαναδιασπάρθηκαν σε νερό (1 mg ml-1 για την πουλλουλάνη και τη χιτοζάνη· 0,18 mg ml-1 για το αλγινικό) για χαρακτηρισμό. Τα φύλλα γραφενίου που λήφθηκαν μέσω κατεργασίας με υπερήχους υποβοηθούμενης από πουλλουλάνη, αλγινικό και χιτοζάνη обозначίστηκαν ως pull-G, alg-G και chit-G, αντίστοιχα.
Από τα τρία συστήματα, η πουλλουλάνη και η χιτοζάνη ήταν αποτελεσματικότερες στην απολέπιση του γραφίτη από το αλγινικό. Αυτή η μέθοδος απέδωσε απολεπισμένα μονοστρωματικά, διστρωματικά και ολιγοστρωματικά φύλλα γραφενίου με περιορισμένες μόνο πλευρικές ατέλειες (στις ακμές). Η προσρόφηση βιοπολυμερών στην επιφάνεια του γραφενίου παρέχει μακροχρόνια σταθερότητα (περισσότερο από 6 μήνες) στην υδατική διασπορά.
(πρβλ. Unalan et al. 2015)
Μια ακολουθία καρέ υψηλής ταχύτητας (από a έως f) που απεικονίζει την ηχομηχανική απολέπιση μιας νιφάδας γραφίτη σε νερό με χρήση του UP200S, μιας συσκευής υπερήχων 200W με ηχοτρόδιο 3-mm. Τα βέλη δείχνουν τη θέση διαχωρισμού (απολέπισης), με φυσαλίδες σπηλαίωσης να διεισδύουν στη σχισμή.
(μελέτη και εικόνες: © Tyurnina et al. 2020
Εικόνες ηλεκτρονικής μικροσκοπίας διέλευσης (TEM) του pull-G για: (a) 10 min· (b) 20 min· (c) 30 min· (d) 60 min· (e) chit-G για 30 min· (f) alg-G για 30 min. (Unalan et al. 2015)
Συσκευές υπερήχων για απολέπιση γραφενίου
Οι επεξεργαστές υπερήχων υψηλής ισχύος της Hielscher χρησιμοποιούνται παγκοσμίως για την επιτυχή απολέπιση και διασπορά γραφίτη και γραφενίου. Οι συσκευές διασποράς με υπερήχους που διαθέτουμε καλύπτουν από εργαστηριακές και επιτραπέζιες μονάδες έως πλήρεις μονάδες βιομηχανικής παραγωγής. Πέρα από την ανθεκτικότητα, τη λειτουργία 24/7 και τις χαμηλές απαιτήσεις συντήρησης, οι συσκευές υπερήχων της Hielscher ξεχωρίζουν για τη μεγάλη ευκολία επεξεργασίας και τη δυνατότητα γραμμικής κλιμάκωσης.
Οι διεργασίες μπορούν εύκολα να δοκιμαστούν και να βελτιστοποιηθούν στο εργαστήριο. Στη συνέχεια, όλα τα αποτελέσματα των διεργασιών μπορούν να μεταφερθούν με απολύτως γραμμική κλιμάκωση στο επίπεδο της εμπορικής παραγωγής. Αυτό καθιστά την κατεργασία με υπερήχους μια αποτελεσματική και αποδοτική μέθοδο παραγωγής μεγάλων ποσοτήτων φύλλων γραφενίου υψηλής ποιότητας.
Οι βιομηχανικοί επεξεργαστές υπερήχων της Hielscher Ultrasonics μπορούν να παρέχουν πολύ υψηλά πλάτη ταλάντωσης. Η συνεχής λειτουργία με πλάτη ταλάντωσης έως και 200µm μπορεί εύκολα να διατηρείται σε λειτουργία 24/7. Για ακόμη υψηλότερα πλάτη ταλάντωσης, διατίθενται ειδικά προσαρμοσμένα ηχοτρόδια υπερήχων. Οι κατάλληλοι αντιδραστήρες υπερήχων εξασφαλίζουν τη δυνατότητα αξιόπιστης και ασφαλούς μαζικής παραγωγής νανοφύλλων γραφενίου υψηλής ποιότητας, καθώς και σταθερών διασπορών νανοφύλλων.
Η ανθεκτικότητα του εξοπλισμού υπερήχων της Hielscher επιτρέπει τη λειτουργία 24/7 υπό συνθήκες βαριάς χρήσης και σε απαιτητικά περιβάλλοντα.
Ο παρακάτω πίνακας παρέχει μια ένδειξη της κατά προσέγγιση δυναμικότητας επεξεργασίας των συσκευών υπερήχων μας:
| Όγκος παρτίδας | Παροχή | Συνιστώμενες συσκευές |
|---|---|---|
| 10 έως 2000mL | 20 έως 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 έως 20L | 0,2 έως 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 έως 100L | 2 έως 10L/min | UIP4000 |
| n.a. | 10 έως 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | μεγαλύτερη | συστοιχία συσκευών UIP16000 |
Επικοινωνήστε μαζί μας! / Ρωτήστε μας!
Μηχανισμός απολέπισης νανοφύλλων 2D με υπερήχους.
(μελέτη και γραφική απεικόνιση: Tyurnina et al., 2020)
Χρήσιμες πληροφορίες
Γραφένιο
Το γραφένιο είναι μια μονοστιβάδα ατόμων άνθρακα με δεσμούς sp2. Το γραφένιο προσφέρει μοναδικά χαρακτηριστικά υλικού, όπως εξαιρετικά μεγάλη ειδική επιφάνεια (2620 m2 g-1), ανώτερες μηχανικές ιδιότητες με μέτρο Young 1 TPa και εγγενή αντοχή 130 GPa, εξαιρετικά υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα (κινητικότητα ηλεκτρονίων σε θερμοκρασία δωματίου 2,5 × 105 cm2 V-1 s-1), πολύ υψηλή θερμική αγωγιμότητα (πάνω από 3000 W m K-1), για να αναφέρουμε τις σημαντικότερες ιδιότητες. Λόγω των ανώτερων ιδιοτήτων του ως υλικού, το γραφένιο χρησιμοποιείται εκτενώς στην ανάπτυξη και παραγωγή μπαταριών υψηλών επιδόσεων, κυψελών καυσίμου, ηλιακών κυψελών, υπερπυκνωτών, συστημάτων αποθήκευσης υδρογόνου, ηλεκτρομαγνητικών θωρακίσεων και ηλεκτρονικών διατάξεων. Επιπλέον, το γραφένιο ενσωματώνεται σε πολλά νανοσύνθετα και σύνθετα υλικά ως ενισχυτικό πρόσθετο, π.χ. σε πολυμερή, κεραμικά και μεταλλικές μήτρες. Λόγω της υψηλής αγωγιμότητάς του, το γραφένιο αποτελεί σημαντικό συστατικό αγώγιμων χρωμάτων και μελανιών.
Η ταχεία και ασφαλής παρασκευή γραφενίου χωρίς ατέλειες με υπερήχους σε μεγάλες ποσότητες και με χαμηλό κόστος επιτρέπει τη διεύρυνση των εφαρμογών του γραφενίου σε όλο και περισσότερους βιομηχανικούς κλάδους.
Βιβλιογραφία/Αναφορές
- FactSheet: Ultrasonic Graphene Exfoliation and Dispersion – Hielscher Ultrasonics – english version
- FactSheet: Exfoliación y Dispersión de Grafeno por Ultrasonidos – Hielscher Ultrasonics – spanish version
- 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.
- Anastasia V. Tyurnina, Iakovos Tzanakis, Justin Morton, Jiawei Mi, Kyriakos Porfyrakis, Barbara M. Maciejewska, Nicole Grobert, Dmitry G. Eskin 2020): Ultrasonic exfoliation of graphene in water: A key parameter study. Carbon, Vol. 168, 2020.
- Unalan I.U., Wan C., Trabattoni S., Piergiovannia L., Farris S. (2015): Polysaccharide-assisted rapid exfoliation of graphite platelets into high quality water-dispersible graphene sheets. RSC Advances 5, 2015. 26482–26490.
- del Bosque, A.; Sánchez-Romate, X.F.; Sánchez, M.; Ureña, A. (2022): Easy-Scalable Flexible Sensors Made of Carbon Nanotube-Doped Polydimethylsiloxane: Analysis of Manufacturing Conditions and Proof of Concept. Sensors 2022, 22, 5147.
Η Hielscher Ultrasonics κατασκευάζει ομογενοποιητές υπερήχων υψηλών επιδόσεων από εργαστηριακό έως βιομηχανικό μέγεθος.