نانوپلاکت های گرافن سنتز و پراکنده شده توسط پروب سونیک

نانوپلاکت های گرافن (GNPs) را می توان با راندمان و قابلیت اطمینان بالا با استفاده از فراصوت سنتز و پراکنده کرد. سونوگرافی با شدت بالا برای لایه برداری گرافیت و به دست آوردن گرافن چند لایه استفاده می شود که اغلب به عنوان نانوپلاکت گرافن شناخته می شود. فراصوت همچنین در دستیابی به توزیع عالی نانوپلاکت گرافن در هر دو سوسپانسیون کم و بسیار چسبناک برتری دارد.

پردازش نانوپلاکت گرافن – نتایج برتر با فراصوت

برای پردازش نانوپلاکت گرافن، فراصوت های پروب نوع کارآمدترین، قابل اعتماد ترین و آسان برای استفاده از ابزار. از آنجا که فراصوت را می توان برای سنتز، پراکندگی و عامل سازی نانوپلاکت گرافن استفاده می شود، فراصوت ها برای کاربردهای متعدد مربوط به گرافن استفاده می شود:

• لایه برداری و سنتز از فراصوت های نوع پروب برای لایه برداری گرافیت به نانوپلاکت های گرافن یا گرافن چند لایه استفاده می شود. سونوگرافی با شدت بالا نیروهای بین لایه را مختل می کند و گرافیت را به کوچکتر و ورق های جداگانه گرافن تجزیه می کند.
• پراکندگی: دستیابی به پراکندگی یکنواخت نانوپلاکت های گرافن در یک محیط مایع برای همه کاربردهای مرتبط با گرافن بسیار مهم است. فراصوت پروب نوع می تواند نانوپلاکت به طور مساوی در سراسر مایع پراکنده, جلوگیری از تجمع و اطمینان از سوسپانسیون پایدار.
• عملکرد: فراصوت عامل دار شدن نانوپلاکت های گرافن را با تقویت اتصال گروه های عملکردی یا مولکول ها به سطوح آنها تسهیل می کند. این عملکردسازی سازگاری آنها را با پلیمرها یا مواد خاص افزایش می دهد.

سنتز نانوپلاکت گرافن از طریق فراصوت

نانوپلاکت گرافن را می توان با لایه برداری گرافیت به کمک اولتراسونیک سنتز. از این رو، یک تعلیق گرافیت با استفاده از یک هموژنایزر مافوق صوت از نوع پروب فراصوت می شود. این روش با غلظت های جامد بسیار کم (به عنوان مثال 4 درصد وزنی یا کمتر) تا بالا (به عنوان مثال 10 درصد وزنی یا بالاتر) آزمایش شده است.
 
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.

تصاویر میکروسکوپ الکترونی عبوری با وضوح بالا از نانوصفحات گرافن به دست آمده است
از طریق پراکندگی فاز آبی به کمک اولتراسونیک و روش هامر.
(مطالعه و گرافیک: غانم و رحیم، 1397)

تفاوت بین ورق های گرافن و نانوپلاکت ها چیست؟

ورق های گرافن و نانوپلاکت های گرافن هر دو نانومواد متشکل از گرافن هستند که یک لایه منفرد از اتم های کربن است که در یک شبکه شش ضلعی قرار گرفته اند. گاهی اوقات از صفحات گرافن و نانوپلاکت های گرافن به عنوان اصطلاحات قابل تعویض استفاده می شود. اما از نظر علمی، تفاوت های کمی بین این نانومواد گرافن وجود دارد: تفاوت اصلی بین ورق های گرافن و نانوپلاکت های گرافن در ساختار و ضخامت آنها نهفته است. صفحات گرافن از یک لایه اتم کربن تشکیل شده اند و فوق العاده نازک هستند، در حالی که نانوپلاکت های گرافن ضخیم تر هستند و از چندین لایه گرافن روی هم تشکیل شده اند. این تفاوت های ساختاری می تواند بر خواص و مناسب بودن آنها برای کاربردهای خاص تأثیر بگذارد. استفاده از فراصوت های پروب نوع یک تکنیک بسیار موثر و کارآمد برای سنتز است, پراکنده, و عامل دار کردن گرافن تک لایه ورق گرافن و همچنین چند لایه گرافن انباشته نانوپلاکت ها.

گرافیکی تجسم سنتز اولتراسونیک نانوپلاکت گرافن با استفاده از فراصوت UP100H
(مطالعه و گرافیک: غانم و رحیم، 1397)

پراکندگی نانوپلاکت های گرافن با استفاده از فراصوت

پراکندگی یکنواخت نانوپلاکت های گرافن (GNPs) در کاربردهای مختلف بسیار مهم است زیرا به طور مستقیم بر خواص و عملکرد مواد یا محصولات حاصل تأثیر می گذارد. بنابراین، ماسونیک ها برای پراکندگی نانوپلاکت گرافن در صنایع مختلف نصب می شوند. صنایع زیر نمونه های برجسته ای برای استفاده از سونوگرافی قدرت هستند:
 

• نانو کامپوزیت ها: نانوپلاکت های گرافن را می توان در مواد مختلف نانوکامپوزیتی مانند پلیمرها گنجاند تا خواص مکانیکی، الکتریکی و حرارتی آنها را افزایش دهد. فراصوت پروب نوع کمک در پراکندگی یکنواخت نانوپلاکت ها در ماتریس پلیمری, و در نتیجه بهبود عملکرد مواد.
• الکترودها و باتری ها: نانوپلاکت های گرافن در توسعه الکترودهای با کارایی بالا برای باتری ها و ابرخازن ها استفاده می شوند. فراصوت به ایجاد مواد الکترود مبتنی بر گرافن با افزایش سطح کمک می کند که قابلیت ذخیره انرژی را بهبود می بخشد.
• کاتالیز: از فراصوت می توان برای تهیه مواد کاتالیزوری بر اساس نانوپلاکت های گرافن استفاده کرد. پراکندگی یکنواخت نانوذرات کاتالیزوری بر روی سطح گرافن می تواند فعالیت کاتالیزوری را در واکنش های مختلف افزایش دهد.
• سنسور: نانوپلاکت های گرافن را می توان در ساخت حسگرها برای کاربردهای مختلف از جمله سنجش گاز، حسگر زیستی و نظارت بر محیط زیست استفاده کرد. فراصوت توزیع همگن نانوپلاکت ها را در مواد حسگر تضمین می کند و منجر به بهبود حساسیت و عملکرد می شود.
• پوشش ها و فیلم ها: ماسونیکاتورهای نوع پروب برای تهیه پوشش ها و فیلم های مبتنی بر نانوپلاکت گرافن برای کاربردها در الکترونیک، هوافضا و پوشش های محافظ استفاده می شود. پراکندگی یکنواخت و چسبندگی مناسب به بسترها برای این کاربردها بسیار مهم است.
• کاربردهای زیست پزشکی: در کاربردهای زیست پزشکی، نانوپلاکت های گرافن را می توان برای دارورسانی، تصویربرداری و مهندسی بافت استفاده کرد. فراصوت به تهیه نانوذرات و کامپوزیت های مبتنی بر گرافن مورد استفاده در این کاربردها کمک می کند.

تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی از نانوپلاکت های گرافن در (b) X3000 و (c) X8000
(مطالعه و تصاویر: ©علیزاده و همکاران، 1397)

نتایج اثبات شده علمی برای پراکندگی نانوپلاکت گرافن اولتراسونیک

دانشمندان از فراصوت Hielscher برای سنتز و پراکندگی نانوپلاکت های گرافن در مطالعات متعدد استفاده کرده اند و اثرات امواج فراصوت به شدت مورد آزمایش قرار گرفته اند. در زیر می توانید چند نمونه برای اختلاط موفقیت آمیز نانوپلاکت های گرافن در مخلوط های مختلف مانند دوغاب های آبی، رزین های اکسپوی یا ملات بیابید.
 
یک روش رایج برای پراکندگی قابل اعتماد و سریع و یکنواخت نانوپلاکت های گرافن روش زیر است:
برای پراکندگی، nanoplatelets گرافن در استون خالص با استفاده از میکسر مافوق صوت Hielscher UP400S برای تقریبا یک ساعت به منظور جلوگیری از تجمع ورق گرافن فراصوت شد. استون با تبخیر به طور کامل حذف شد. سپس نانوپلاکت های گرافن در 1 درصد وزنی سیستم اپوکسی اضافه شدند و در رزین اپوکسی در 90 وات به مدت 15 دقیقه فراصوت شدند.
(cf. Cakir و همکاران، 2016)
 
مطالعه دیگری به بررسی تقویت نانوسیالات یونی مبتنی بر مایع (یونانسیالات) با افزودن نانوپلاکت های گرافن می پردازد. برای پراکندگی برتر, مخلوط از نانوپلاکت گرافن, مایع یونی و سدیم دودسیل بنزن سولفونات با استفاده از Hielscher پروب نوع فراصوت UP200S برای حدود همگن شد 90 دقیقه.
(رجوع کنید به علیزاده و همکاران، 2018)

 
Tragazikis و همکاران (2019) ترکیب موثر نانوپلاکت های گرافن را در ملات گزارش می دهند. بنابراین، سوسپانسیون های گرافن آبی با افزودن نانوپلاکت ها - در وزن های حک شده توسط مقدار هدف مطلوب در مواد حاصل - در مخلوط آب لوله کشی معمولی و نرم کننده و متعاقب آن هم زدن مغناطیسی به مدت 2 دقیقه تولید شدند. سیستم تعلیق توسط سونوگرافی برای همگن شد 90 دقیقه در دمای اتاق، با استفاده از دستگاه Hielscher UP400S (Hielscher مافوق صوت GmbH) مجهز به 22mm-sonotrode ارائه توان توان 4500 J / min در فرکانس 24 کیلوهرتز. ترکیب خاص از نرخ انرژی و مدت زمان فراصوت به عنوان مطلوب پس از یک بررسی دقیق از اثر پارامترهای فراصوت از کیفیت تعلیق ایجاد شد.
(رجوع کنید به Tragazikis و همکاران، 2019)
 
زینال و همکاران (2018) در تحقیقات خود اظهار داشتند که یک روش پراکندگی مناسب مانند فراصوت تضمین می کند که نانومواد مانند نانوصفحات گرافن می توانند خواص مواد پرکننده را افزایش دهند. این امر به این دلیل است که پراکندگی یکی از مهم ترین عوامل برای تولید نانوکامپوزیت های با کیفیت بالا مانند گروت اپوکسی است.

فراصوت های با کارایی بالا برای پردازش نانوپلاکت گرافن

Hielscher مافوق صوت رهبر بازار است که آن را به ultrasonicators با کارایی بالا برای پردازش نانومواد می آید. Hielscher پروب نوع فراصوت در سراسر جهان در آزمایشگاه ها و تنظیمات صنعتی برای کاربردهای مختلف استفاده می شود, از جمله پردازش نانوپلاکت گرافن.
دولت از فن آوری هنر, ساخت آلمانی و مهندسی و همچنین تجربه فنی طولانی مدت را Hielscher ultrasonics شریک مورد نظر خود را برای نرم افزار اولتراسونیک موفق.

طراحی، ساخت و مشاوره – کیفیت ساخت آلمان

مافوق صوت Hielscher به خوبی برای بالاترین کیفیت و استانداردهای طراحی خود را شناخته شده. استحکام و بهره برداری آسان اجازه می دهد تا ادغام صاف از ultrasonicators ما به امکانات صنعتی. شرایط خشن و محیط های خواستار به راحتی توسط مافوق صوت Hielscher رسیده.

Hielscher اولتراسونیک یک شرکت دارای گواهینامه ISO است و تاکید ویژه ای بر مافوق صوت با کارایی بالا با ویژگی های دولت از هنر فن آوری و کاربر پسند قرار داده است. البته، مافوق صوت Hielscher مطابق با CE و دیدار با الزامات UL، CSA و RoHs.

جدول زیر به شما نشانه ای از ظرفیت پردازش تقریبی مافوق صوت ما می دهد: