نانوپلاکت‌های گرافن سنتزشده و پراکنده‌شده با فراصوت‌دهی پروبی
نانوپلاکت‌های گرافن (GNPs) را می‌توان با استفاده از سونیکاتورها با بازده و قابلیت اطمینان بالا سنتز و پراکنده کرد. از فراصوت‌دهی با شدت بالا برای لایه‌برداری گرافیت و دستیابی به گرافن چندلایه استفاده می‌شود که اغلب نانوپلاکت‌های گرافن نامیده می‌شود. فراصوت‌دهی همچنین در دستیابی به توزیع بسیار مطلوب نانوپلاکت‌های گرافن در سوسپانسیون‌های کم‌ویسکوز و بسیار ویسکوز عملکردی برجسته دارد.
پردازش نانوپلاکت‌های گرافن – نتایج برتر با فراصوت‌دهی
برای پردازش نانوپلاکت‌های گرافن، سونیکاتورهای پروبی کارآمدترین، قابل‌اعتمادترین و ساده‌ترین ابزار از نظر کاربری هستند. از آنجا که فراصوت‌دهی را می‌توان برای سنتز، پراکنده‌سازی و عامل‌دارسازی نانوپلاکت‌های گرافن به کار برد، سونیکاتورها در کاربردهای متعدد مرتبط با گرافن استفاده می‌شوند:
- لایه‌برداری و سنتز سونیکاتورهای پروبی برای لایه‌برداری گرافیت و تبدیل آن به گرافن چندلایه یا نانوپلاکت‌های گرافن استفاده می‌شوند. فراصوت‌دهی با شدت بالا بر نیروهای بین‌لایه‌ای غلبه می‌کند و گرافیت را به ورقه‌های مجزا و کوچک‌تر گرافن تفکیک می‌کند.
- پراکنده‌سازی: دستیابی به پراکندگی یکنواخت نانوپلاکت‌های گرافن در یک محیط مایع برای تمامی کاربردهای مرتبط با گرافن ضروری است. سونیکاتورهای پروبی می‌توانند نانوپلاکت‌ها را به‌طور یکنواخت در سراسر مایع پراکنده کنند، از کلوخه‌شدن جلوگیری کنند و پایداری سوسپانسیون را تضمین کنند.
- عامل‌دارسازی: فراصوت‌دهی با تسهیل اتصال گروه‌های عاملی یا مولکول‌ها به سطوح نانوپلاکت‌های گرافن، عامل‌دارسازی آن‌ها را تسهیل می‌کند. این عامل‌دارسازی سازگاری آن‌ها را با پلیمرها یا مواد مشخص افزایش می‌دهد.
سامانه پراکنده‌سازی فراصوتی برای پراکنده‌سازی صنعتی درون‌خطی نانوپلاکت‌های گرافن
سنتز نانوپلاکت‌های گرافن با فراصوت‌دهی
نانوپلاکت‌های گرافن را می‌توان با لایه‌برداری گرافیت به کمک فراصوت سنتز کرد. برای این منظور، یک سوسپانسیون گرافیت با استفاده از هموژنایزر فراصوتی پروبی تحت فراصوت‌دهی قرار می‌گیرد. این روش در غلظت‌های بسیار پایین مواد جامد (مثلاً 4wt% یا کمتر) تا غلظت‌های بالا (مثلاً 10wt% یا بیشتر) آزمایش شده است.
Ghanem and Rehim (2018) گزارش می‌کنند که لایه‌برداری فراصوتی گرافیت در آب با کمک سدیم دودسیل بنزن سولفونات (SDS)، به‌منظور تهیه نانوپلاکت‌های گرافن پراکنده‌شده با استفاده از سونیکاتور پروبی UP 100H، تهیه موفق گرافن چندلایه بدون نقص (>5) را امکان‌پذیر کرد. از پیش‌ماده زیر استفاده شد: نانوورقه‌های گرافن احیاشده به روش Hummer تهیه شدند و تحت دو مرحله اضافی، شامل اکسایش گرافیت و سپس احیای اکسید گرافن، قرار گرفتند. به این ترتیب، نانوپلاکت‌های گرافن پراکنده‌شده در آب با روش پراکنده‌سازی در حلال به دست آمدند (به طرح زیر مراجعه کنید). لایه‌های گرافیت با فراصوت‌دهی توسط سونیکاتور پروبی UP100H (100 W) لایه‌برداری شدند. مقدار 0٫25 g از SDS در 150 mL آب دیونیزه حل شد و سپس 0٫5 g گرافیت به آن اضافه شد. محلول گرافیت به مدت 12h در حمام یخ تحت فراصوت‌دهی قرار گرفت و سپس محلول سوسپانسیون به مدت 30 min با نیروی 686× g سانتریفیوژ شد تا ذرات درشت حذف شوند. رسوب دور ریخته شد و مایع رویی مجدداً به مدت 90 min با نیروی 12٬600× g سانتریفیوژ شد. نانوپلاکت‌های گرافن پراکنده‌شده حاصل چندین بار به‌خوبی شسته شدند تا ماده فعال سطحی حذف شود. در پایان، محصول در دمای 60ºC تحت خلأ خشک شد.
تصاویر میکروسکوپ الکترونی عبوری با وضوح بالا از نانوورقه‌های گرافن به‌دست‌آمده
از طریق پراکنده‌سازی در فاز آبی به کمک فراصوت و روش Hummer.
(مطالعه و تصویر: Ghanem and Rehim, 2018)
تفاوت ورقه‌های گرافن و نانوپلاکت‌ها چیست؟
ورقه‌های گرافن و نانوپلاکت‌های گرافن هر دو نانوموادی متشکل از گرافن هستند؛ گرافن یک لایه منفرد از اتم‌های کربن است که در شبکه‌ای شش‌ضلعی آرایش یافته‌اند. گاهی اصطلاحات ورقه‌های گرافن و نانوپلاکت‌های گرافن به‌جای یکدیگر به کار می‌روند. اما از نظر علمی، چند تفاوت میان این نانومواد گرافنی وجود دارد: تفاوت اصلی ورقه‌های گرافن و نانوپلاکت‌های گرافن در ساختار و ضخامت آن‌هاست. ورقه‌های گرافن از یک لایه اتم کربن تشکیل شده‌اند و فوق‌العاده نازک هستند، در حالی که نانوپلاکت‌های گرافن ضخیم‌ترند و از چندین لایه گرافن روی‌هم‌چیده‌شده تشکیل شده‌اند. این تفاوت‌های ساختاری می‌توانند بر خواص آن‌ها و مناسب‌بودنشان برای کاربردهای مشخص تأثیر بگذارند. استفاده از سونیکاتورهای پروبی روشی بسیار مؤثر و کارآمد برای سنتز، پراکنده‌سازی و عامل‌دارسازی ورقه‌های تک‌لایه گرافن و همچنین نانوپلاکت‌های گرافن با چند لایه روی‌هم‌چیده‌شده است.
تصویری از سنتز فراصوتی نانوپلاکت‌های گرافن با استفاده از سونیکاتور UP100H
(مطالعه و تصویر: Ghanem and Rehim, 2018)
سونیکاتور پروبی UP400St برای تهیه دیسپرسیون‌های نانوپلاکت گرافن
پراکنده‌سازی نانوپلاکت‌های گرافن با استفاده از فراصوت‌دهی
پراکندگی یکنواخت نانوپلاکت‌های گرافن (GNPs) در کاربردهای گوناگون ضروری است، زیرا مستقیماً بر خواص و عملکرد مواد یا محصولات حاصل تأثیر می‌گذارد. ازاین‌رو، سونیکاتورها برای تهیه دیسپرسیون‌های نانوپلاکت گرافن در صنایع مختلف نصب می‌شوند. صنایع زیر نمونه‌های شاخص استفاده از فراصوت پرتوان هستند:
- نانوکامپوزیت‌ها: نانوپلاکت‌های گرافن را می‌توان به مواد نانوکامپوزیتی گوناگون، مانند پلیمرها، افزود تا خواص مکانیکی، الکتریکی و حرارتی آن‌ها بهبود یابد. سونیکاتورهای پروبی به پراکنده‌سازی یکنواخت نانوپلاکت‌ها در ماتریس پلیمری کمک می‌کنند و در نتیجه عملکرد ماده را بهبود می‌دهند.
- الکترودها و باتری‌ها: نانوپلاکت‌های گرافن در توسعه الکترودهای با عملکرد بالا برای باتری‌ها و ابرخازن‌ها استفاده می‌شوند. فراصوت‌دهی به ایجاد مواد الکترودی مبتنی بر گرافن با پراکندگی مطلوب و مساحت سطح بیشتر کمک می‌کند که قابلیت ذخیره‌سازی انرژی را بهبود می‌بخشد.
- کاتالیز: از فراصوت‌دهی می‌توان برای تهیه مواد کاتالیستی مبتنی بر نانوپلاکت‌های گرافن استفاده کرد. پراکندگی یکنواخت نانوذرات کاتالیستی بر سطح گرافن می‌تواند فعالیت کاتالیستی را در واکنش‌های گوناگون افزایش دهد.
- حسگرها: نانوپلاکت‌های گرافن را می‌توان در ساخت حسگرها برای کاربردهای گوناگون، از جمله حسگری گاز، حسگری زیستی و پایش محیطی، به کار برد. فراصوت‌دهی توزیع همگن نانوپلاکت‌ها را در مواد حسگر تضمین می‌کند و به بهبود حساسیت و عملکرد منجر می‌شود.
- پوشش‌ها و فیلم‌ها: سونیکاتورهای پروبی برای تهیه پوشش‌ها و فیلم‌های مبتنی بر نانوپلاکت‌های گرافن، برای کاربرد در الکترونیک، هوافضا و پوشش‌های محافظ، استفاده می‌شوند. پراکندگی یکنواخت و چسبندگی مناسب به زیرلایه‌ها برای این کاربردها ضروری است.
- کاربردهای زیست‌پزشکی: در کاربردهای زیست‌پزشکی، نانوپلاکت‌های گرافن را می‌توان برای دارورسانی، تصویربرداری و مهندسی بافت استفاده کرد. فراصوت‌دهی به تهیه نانوذرات و کامپوزیت‌های مبتنی بر گرافن مورد استفاده در این کاربردها کمک می‌کند.
تصاویر SEM از نانوپلاکت‌های گرافن با بزرگ‌نمایی (b) X3000 و (c) X8000
(مطالعه و تصاویر: ©Alizadeh et al., 2018)
نتایج اثبات‌شده علمی برای دیسپرسیون‌های فراصوتی نانوپلاکت گرافن
پژوهشگران در مطالعات متعدد از سونیکاتورهای Hielscher برای سنتز و پراکنده‌سازی نانوپلاکت‌های گرافن استفاده کرده‌اند و اثرات فراصوت‌دهی را به‌طور گسترده آزموده‌اند. در ادامه، چند نمونه از اختلاط موفق نانوپلاکت‌های گرافن با مخلوط‌های مختلف، مانند دوغاب‌های آبی، رزین‌های اپوکسی یا ملات، ارائه شده است.
یک روش رایج برای پراکنده‌سازی قابل‌اعتماد، سریع و یکنواخت نانوپلاکت‌های گرافن به شرح زیر است:
برای پراکنده‌سازی، نانوپلاکت‌های گرافن در استون خالص با استفاده از مخلوط‌کن فراصوتی Hielscher مدل UP400S به مدت تقریباً یک ساعت تحت فراصوت‌دهی قرار گرفتند تا از کلوخه‌شدن ورقه‌های گرافن جلوگیری شود. استون با تبخیر به‌طور کامل حذف شد. سپس نانوپلاکت‌های گرافن به میزان 1 wt % سامانه اپوکسی اضافه شدند و در رزین اپوکسی با توان 90W به مدت 15 دقیقه تحت فراصوت‌دهی قرار گرفتند.
(رجوع کنید به Cakir et al., 2016)
مطالعه‌ای دیگر تقویت نانوسیال‌های مبتنی بر مایع یونی (یونانوسیال‌ها) را با افزودن نانوپلاکت‌های گرافن بررسی می‌کند. برای دستیابی به پراکندگی بهتر، مخلوط نانوپلاکت‌های گرافن، مایع یونی و سدیم دودسیل بنزن سولفونات با استفاده از سونیکاتور پروبی Hielscher مدل UP200S به مدت حدود 90 min همگن شد.
(رجوع کنید به Alizadeh et al., 2018)
Tragazikis et al. (2019) افزودن مؤثر نانوپلاکت‌های گرافن به ملات را گزارش می‌کنند. برای این منظور، سوسپانسیون‌های آبی گرافن با افزودن نانوپلاکت‌ها – با جرم‌هایی تعیین‌شده بر اساس مقادیر هدف مطلوب در مواد نهایی – به مخلوط‌های آب معمولی لوله‌کشی و روان‌کننده و سپس هم‌زدن مغناطیسی به مدت 2 min تولید شدند. سوسپانسیون‌ها با فراصوت‌دهی به مدت 90 min در دمای اتاق، با استفاده از دستگاه Hielscher UP400S (Hielscher Ultrasonics GmbH) مجهز به سونوتْرود 22mm که توان عبوری 4500 J/min را در فرکانس 24 kHz تأمین می‌کرد، همگن شدند. ترکیب مشخص نرخ انرژی و مدت فراصوت‌دهی، پس از بررسی دقیق اثر پارامترهای فراصوت‌دهی بر کیفیت سوسپانسیون، به‌عنوان حالت بهینه تعیین شد.
(رجوع کنید به Tragazikis et al., 2019)
Zainal et al. (2018) در پژوهش خود بیان می‌کنند که یک روش مناسب پراکنده‌سازی، مانند فراصوت‌دهی، تضمین می‌کند که نانوموادی مانند نانوپلاکت‌های گرافن بتوانند خواص مواد پرکننده را بهبود دهند. علت این امر آن است که پراکنده‌سازی یکی از مهم‌ترین عوامل در تولید نانوکامپوزیت‌های باکیفیت، مانند گروت اپوکسی، است.
نمونه BMIM-PF6 خالص (چپ) و یونانوسیال تهیه‌شده به روش فراصوتی با غلظت 2% wt. (راست).
(مطالعه و تصاویر: ©Alizadeh et al., 2018)
سونیکاتورهای با عملکرد بالا برای پردازش نانوپلاکت‌های گرافن
Hielscher Ultrasonics در زمینه دستگاه‌های فراصوتی با عملکرد بالا برای پردازش نانومواد، پیشتاز بازار است. سونیکاتورهای پروبی Hielscher در سراسر جهان در آزمایشگاه‌ها و محیط‌های صنعتی برای کاربردهای گوناگون، از جمله پردازش نانوپلاکت‌های گرافن، استفاده می‌شوند.
فناوری روز، مهارت ساخت و مهندسی آلمانی و همچنین تجربه فنی دیرینه، Hielscher Ultrasonics را به شریک ترجیحی شما برای کاربرد موفق فراصوت تبدیل می‌کند.
- بازده بالا
- فناوری روز
- قابلیت اطمینان و استحکام
- کنترل دقیق و قابل‌تنظیم فرایند
- ناپیوسته و درون‌خطی
- برای هر حجمی
- نرم‌افزار هوشمند
- امکانات هوشمند (مانند قابلیت برنامه‌ریزی، ثبت داده‌ها و کنترل از راه دور)
- کاربری آسان و ایمن
- نیاز اندک به نگهداری
- CIP (شست‌وشو در محل)
طراحی، ساخت و مشاوره – کیفیت ساخت آلمان
دستگاه‌های فراصوتی Hielscher به بالاترین استانداردهای کیفیت و طراحی شهرت دارند. استحکام و کاربری آسان، ادغام بی‌دردسر دستگاه‌های فراصوتی ما را در تأسیسات صنعتی امکان‌پذیر می‌کند. دستگاه‌های فراصوتی Hielscher به‌راحتی از عهده شرایط سخت و محیط‌های پرچالش برمی‌آیند.
Hielscher Ultrasonics شرکتی دارای گواهینامه ISO است و بر دستگاه‌های فراصوتی با عملکرد بالا که از فناوری روز و کاربری آسان برخوردارند تأکید ویژه دارد. البته دستگاه‌های فراصوتی Hielscher با CE انطباق دارند و الزامات UL، CSA و RoHs را برآورده می‌کنند.
جدول زیر نمایی از ظرفیت تقریبی پردازش دستگاه‌های فراصوتی ما را ارائه می‌دهد:
| حجم هر بچ | دبی | دستگاه‌های پیشنهادی |
|---|---|---|
| 0٫5 تا 1٫5mL | قابل‌اعمال نیست | VialTweeter | 1 تا 500mL | 10 تا 200mL/min | UP100H |
| 10 تا 2000mL | 20 تا 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0٫1 تا 20L | 0٫2 تا 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 تا 100L | 2 تا 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 تا 150L | 3 تا 15L/min | UIP6000hdT |
| قابل‌اعمال نیست | 10 تا 100L/min | UIP16000 |
| قابل‌اعمال نیست | بیشتر | مجموعه‌ای از دستگاه‌های UIP16000 |
با ما تماس بگیرید! / از ما بپرسید!
Hielscher Ultrasonics هموژنایزرهای فراصوتی با عملکرد بالا را برای کاربردهای اختلاط، پراکنده‌سازی، امولسیون‌سازی و استخراج در مقیاس آزمایشگاهی، پایلوت و صنعتی تولید می‌کند.
منابع علمی / مراجع
- 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.
دانستنی‌ها
ورقه‌های گرافن در مقایسه با نانوپلاکت‌های گرافن
ورقه‌های گرافن و نانوپلاکت‌های گرافن هر دو نانوساختارهایی مشتق‌شده از گرافیت هستند. جدول زیر برجسته‌ترین تفاوت‌های میان ورقه‌های گرافن و نانوپلاکت‌های گرافن را نشان می‌دهد.
| وجه تمایز | ورقه‌های گرافن | نانوپلاکت‌های گرافن |
|---|---|---|
| ساختار | ورقه‌های گرافن معمولاً لایه‌های منفرد گرافن با ساختاری دوبعدی هستند. آن‌ها می‌توانند بسیار بزرگ و پیوسته باشند و در گستره‌های ماکروسکوپی امتداد یابند. | نانوپلاکت‌های گرافن در مقایسه با ورقه‌های منفرد گرافن کوچک‌تر و ضخیم‌تر هستند. آن‌ها از چندین لایه گرافن تشکیل شده‌اند که روی یکدیگر قرار گرفته‌اند و ساختارهایی پلاکت‌مانند ایجاد می‌کنند. تعداد لایه‌ها در یک نانوپلاکت می‌تواند متفاوت باشد، اما معمولاً از چند لایه تا چند ده لایه متغیر است |
| ضخامت | این‌ها ساختارهای تک‌لایه گرافن هستند، بنابراین بسیار نازک‌اند و معمولاً تنها به اندازه یک اتم ضخامت دارند. | این‌ها از ورقه‌های تک‌لایه گرافن ضخیم‌تر هستند، زیرا از چندین لایه گرافن روی‌هم‌چیده‌شده تشکیل شده‌اند. ضخامت نانوپلاکت‌های گرافن به تعداد لایه‌های موجود در آن‌ها بستگی دارد. |
| خواص | ورقه‌های تک‌لایه گرافن خواص استثنایی مانند رسانایی الکتریکی بالا، رسانایی حرارتی بالا و استحکام مکانیکی بالا دارند. آن‌ها همچنین خواص الکترونیکی منحصربه‌فردی مانند اثرات محصورشدگی کوانتومی نشان می‌دهند. | نانوپلاکت‌های گرافن برخی از خواص عالی گرافن، مانند رسانایی الکتریکی و حرارتی بالا، را حفظ می‌کنند، اما به دلیل وجود چندین لایه ممکن است از این نظر به اندازه گرافن تک‌لایه استثنایی نباشند. بااین‌حال، همچنان نسبت به مواد کربنی متداول مزایایی دارند. |
| کاربردها | ورقه‌های تک‌لایه گرافن طیف گسترده‌ای از کاربردهای بالقوه، از جمله در الکترونیک، نانوکامپوزیت‌ها، حسگرها و حوزه‌های دیگر دارند. آن‌ها اغلب به دلیل خواص الکترونیکی استثنایی خود استفاده می‌شوند. | نانوپلاکت‌های گرافن در کاربردهای گوناگون، مانند مواد تقویت‌کننده در کامپوزیت‌ها، روانکارها، تجهیزات ذخیره‌سازی انرژی و به‌عنوان افزودنی برای بهبود خواص مواد دیگر استفاده می‌شوند. ساختار ضخیم‌تر آن‌ها، پراکنده‌سازی‌شان را در برخی ماتریس‌ها در مقایسه با گرافن تک‌لایه آسان‌تر می‌کند. |
Hielscher Ultrasonics هموژنایزرهای فراصوتی با عملکرد بالا را در ابعاد آزمایشگاهی تا صنعتی تولید می‌کند.