اکسید گرافن – لایه‌برداری و پراکنده‌سازی فراصوتی

لایه‌برداری فراصوتی روشی پرکاربرد برای تولید اکسید گرافن از طریق تجزیهٔ اکسید گرافیت به ورقه‌های نازک گرافنِ تک‌لایه یا چندلایه است. سونیکاتورهای Hielscher کاویتاسیون آکوستیکی شدیدی ایجاد می‌کنند که در آن، امواج فراصوتی با چگالی انرژی بالا، ریزحباب‌های پرانرژی در محیط مایع پدید می‌آورند. فروپاشی این حباب‌ها نیروهای برشی ایجاد می‌کند که لایه‌های اکسید گرافیت را از هم جدا کرده و به‌طور مؤثر آن‌ها را به نانوورقه‌های اکسید گرافن تبدیل می‌کند. از فناوری فراصوت با عملکرد بالا بهره ببرید تا کاربرد مبتنی بر اکسید گرافن خود را به سطح بالاتری ارتقا دهید!

لایه‌برداری فراصوتی اکسید گرافن

اکسید گرافن محلول در آب، آمفی‌فیلیک، غیرسمی و زیست‌تخریب‌پذیر است و می‌توان آن را به‌راحتی به‌صورت کلوئیدهای پایدار پراکنده کرد. لایه‌برداری و پراکنده‌سازی فراصوتی روشی بسیار کارآمد، سریع و مقرون‌به‌صرفه برای سنتز، پراکنده‌سازی و عامل‌دارسازی اکسید گرافن در مقیاس صنعتی است. در فرایندهای پایین‌دستی، دستگاه‌های پراکنده‌ساز فراصوتی کامپوزیت‌های اکسید گرافن–پلیمر با عملکرد بالا تولید می‌کنند.

مزایای لایه‌برداری فراصوتی

لایه‌برداری فراصوتی مزایای متعددی دارد، از جمله سادگی، مقیاس‌پذیری و سازگاری با محیط‌زیست، زیرا معمولاً به مواد شیمیایی خورنده یا فرایندهای پیچیده نیاز ندارد. همچنین امکان کنترل دقیق اندازه و ضخامت نانوورقه‌های اکسید گرافن را فراهم می‌کند که برای تنظیم خواص آن‌ها در کاربردهای گوناگون ضروری است.

این ویدئو اختلاط و پراکنده‌سازی فراصوتی گرافیت در 250mL رزین اپوکسی (Toolcraft L) را با استفاده از هموژنایزر فراصوتی (UP400St، Hielscher Ultrasonics) نشان می‌دهد. Hielscher Ultrasonics تجهیزاتی برای پراکنده‌سازی گرافیت، گرافن، نانولوله‌های کربنی، نانوسیم‌ها یا پرکننده‌ها در آزمایشگاه یا فرآیندهای تولید با حجم بالا می‌سازد. کاربردهای متداول شامل پراکنده‌سازی نانومواد و ریزمواد در طول فرآیند عامل‌دارسازی یا پراکنده‌سازی آن‌ها در رزین‌ها یا پلیمرها است.

دستورالعمل: لایه‌برداری فراصوتی اکسید گرافن

روش لایه‌برداری نقشی کلیدی در کنترل اندازهٔ نانوورقه‌های اکسید گرافن (GO) دارد. به‌دلیل قابلیت کنترل دقیق پارامترهای فرایند، لایه‌برداری فراصوتی پرکاربردترین روش جداسازی لایه‌ها برای تولید گرافن و اکسید گرافن با کیفیت بالا است.
دستورالعمل‌های گوناگونی برای لایه‌برداری فراصوتی اکسید گرافن از اکسید گرافیت وجود دارد. در ادامه نمونه‌ای از دستورالعمل لایه‌برداری فراصوتی اکسید گرافن آمده است:
پودر اکسید گرافیت در محلول آبی KOH با مقدار pH برابر با 10 مخلوط می‌شود. برای لایه‌برداری و پراکنده‌سازی پس از آن، از دستگاه فراصوت پروبی UP200St (200W) استفاده می‌شود. سپس یون‌های K+ به صفحهٔ پایهٔ گرافن متصل می‌شوند تا فرایند پیرسازی را القا کنند. پیرسازی در حین تبخیر چرخشی (2 h) انجام می‌شود. برای حذف یون‌های اضافی K+، پودر چندین بار شسته و سانتریفیوژ می‌شود.
مخلوط به‌دست‌آمده سانتریفیوژ و خشک‌انجمادی می‌شود تا پودر اکسید گرافنِ قابل‌پراکندگی رسوب کند.
تهیهٔ خمیر رسانای اکسید گرافن: برای تولید خمیر رسانا می‌توان پودر اکسید گرافن را تحت فراصوت‌دهی در دی‌متیل‌فرمامید (DMF) پراکنده کرد. (Han et al.2014)

لایه‌برداری فراصوتی به‌طور گسترده برای تولید نانوورقه‌های گرافن و اکسید گرافن به کار می‌رود. سامانه‌های فراصوتی Hielscher روشی بسیار کارآمد، مقرون‌به‌صرفه و سریع برای سنتز گرافن ارائه می‌دهند و برای جریان‌های حجیم دوغاب و تولید انبوه گرافن استفاده می‌شوند.
منبع تصویر: Potts J. R., Dreyer D. R., Bielawski Ch. W., Ruoff R.S (2011): Graphene-based polymer nanocomposites. Polymer Vol. 52, Issue 1, 2011. 5–25.

سازوکار لایه‌برداری فراصوتی اکسید گرافن
(تصویر: Potts et al. 2011)

عامل‌دارسازی فراصوتی اکسید گرافن

فراصوت‌دهی با موفقیت برای وارد کردن اکسید گرافن (GO) به پلیمرها و کامپوزیت‌ها به کار می‌رود.
نمونه‌ها:

کامپوزیت اکسید گرافن–میکروکره‌های TiO2
کامپوزیت پلی‌استایرن–مگنتیت–اکسید گرافن (با ساختار هسته–پوسته)
کامپوزیت‌های پلی‌استایرن–اکسید گرافن احیاشده
کامپوزیت هسته–پوستهٔ پلی‌استایرن/اکسید گرافن با پوشش نانوالیاف پلی‌آنیلین (PANI-PS/GO)
اکسید گرافن با پلی‌استایرنِ درج‌شده در میان لایه‌ها
اکسید گرافن اصلاح‌شده با p-phenylenediamine-4vinylbenzen-polystyrene

کاربردهای اکسید گرافن تولیدشده با لایه‌برداری فراصوتی

اکسید گرافن تولیدشده از طریق لایه‌برداری فراصوتی کاربردهای گسترده‌ای در حوزه‌های مختلف دارد. در الکترونیک، در فیلم‌های رسانای انعطاف‌پذیر و حسگرها استفاده می‌شود؛ در ذخیره‌سازی انرژی، عملکرد باتری‌ها و ابرخازن‌ها را بهبود می‌بخشد. خواص ضدباکتریایی اکسید گرافن، آن را برای کاربردهای زیست‌پزشکی ارزشمند می‌کند، درحالی‌که مساحت سطح زیاد و گروه‌های عاملی آن در کاتالیز و پاک‌سازی محیط‌زیست مزیت دارند. در مجموع، لایه‌برداری فراصوتی تولید کارآمد اکسید گرافن با کیفیت بالا را برای استفاده در فناوری‌های پیشرو تسهیل می‌کند.

بیاموزید چگونه با لایه‌برداری فراصوتی به کمک سونیکاتورهای پروبی پرتوان، گرافن تک‌لایه باکیفیت تولید کنید. فراصوت‌دهی روشی آسان، کارآمد و مقیاس‌پذیر برای تولید پراکنه‌های گرافن با بازده بالا و کیفیت عالی ورقه‌ها است.

سونیکاتورها برای فراوری گرافن و اکسید گرافن

Hielscher Ultrasonics سامانه‌های فراصوتی پرتوانی برای لایه‌برداری، پراکنده‌سازی و فراوری گرافن و اکسید گرافن ارائه می‌دهد. پردازشگرهای فراصوتی قابل‌اعتماد و راکتورهای پیشرفته، کنترل دقیقی فراهم می‌کنند و امکان تنظیم فرایندهای فراصوتی متناسب با اهداف موردنظر را می‌دهند.
یکی از پارامترهای حیاتی، دامنهٔ فراصوت است که انبساط و انقباض ارتعاشی پروب فراصوتی را تعیین می‌کند. دستگاه‌های فراصوت صنعتی Hielscher دامنه‌های بالایی تا 200µm را در کارکرد پیوستهٔ 24/7 ارائه می‌دهند. برای دامنه‌های حتی بالاتر، پروب‌های فراصوتی سفارشی در دسترس هستند. همهٔ پردازشگرها را می‌توان به‌دقت با شرایط فرایند تنظیم کرد و از طریق نرم‌افزار داخلی پایش نمود؛ این امر قابلیت اطمینان، کیفیت یکنواخت و نتایج تکرارپذیر را تضمین می‌کند.
سونیکاتورهای Hielscher مستحکم هستند و می‌توانند در محیط‌های کاری سنگین به‌طور پیوسته کار کنند؛ به همین دلیل، فراصوت‌دهی فناوری تولید ترجیحی برای تهیهٔ گرافن، اکسید گرافن و مواد گرافیتی در مقیاس بزرگ است.
طیف گسترده‌ای از دستگاه‌های فراصوت و لوازم جانبی، از جمله سونوتْرودها و راکتورهایی با اندازه‌ها و هندسه‌های مختلف، امکان انتخاب شرایط و عوامل بهینهٔ واکنش، مانند واکنشگرها، انرژی فراصوتی ورودی، فشار، دما و دبی را برای دستیابی به بالاترین کیفیت فراهم می‌کند. راکتورهای فراصوتی Hielscher حتی می‌توانند تا چند صد barg تحت فشار قرار گیرند و فراصوت‌دهی خمیرهای بسیار گرانرو با گرانروی بیش از 250٬000 centipoise را ممکن سازند.
به‌دلیل این عوامل، جداسازی لایه‌ها و لایه‌برداری فراصوتی از روش‌های متداول برتر هستند.

برای کسب اطلاعات بیشتر دربارهٔ سنتز، پراکنده‌سازی و عامل‌دارسازی فراصوتی گرافن، اینجا کلیک کنید:

نکات دانستنی

فراصوت و کاویتاسیون: چگونه گرافیت با فراصوت‌دهی لایه‌برداری و به اکسید گرافن تبدیل می‌شود؟

لایه‌برداری فراصوتی اکسید گرافیت (GrO) بر نیروی برشی بالای ناشی از کاویتاسیون آکوستیکی استوار است. کاویتاسیون آکوستیکی در اثر چرخه‌های متناوب فشار بالا / فشار پایین پدید می‌آید که از انتقال انرژی امواج فراصوت پرتوان به مایع ناشی می‌شوند. طی چرخه‌های فشار پایین، حفره‌های بسیار کوچک یا حباب‌های خلأ ایجاد می‌شوند و در چرخه‌های متناوب فشار پایین رشد می‌کنند. هنگامی که حباب‌های خلأ به اندازه‌ای می‌رسند که دیگر نمی‌توانند انرژی بیشتری جذب کنند، طی یک چرخهٔ فشار بالا به‌شدت فرو می‌پاشند. فروپاشی حباب به درون، نیروهای برشی کاویتاسیونی و امواج تنش، دماهای بسیار بالا تا 6000K، نرخ‌های بسیار بالای سرمایش بیش از 10¹⁰K/s، فشارهای بسیار بالا تا 2000atm، اختلاف فشارهای شدید و همچنین جت‌های مایع با سرعت تا 1000km/h (∼280m/s) ایجاد می‌کند.
این نیروهای شدید بر توده‌های لایه‌ای گرافیت اثر می‌گذارند و لایه‌های آن‌ها را به اکسید گرافن تک‌لایه یا چندلایه و نانوورقه‌های گرافن دست‌نخورده تفکیک می‌کنند.

اکسید گرافن چیست؟

اکسید گرافن (GO) با لایه‌برداری اکسید گرافیت (GrO) سنتز می‌شود. درحالی‌که اکسید گرافیت ماده‌ای 3D متشکل از میلیون‌ها لایهٔ گرافن با اکسیژن‌های درج‌شده در میان لایه‌ها است، اکسید گرافن گرافنی تک‌لایه یا چندلایه است که در هر دو طرف اکسیژن‌دار شده است.
اکسید گرافن و گرافن از نظر ویژگی‌های زیر با یکدیگر تفاوت دارند: اکسید گرافن قطبی است، درحالی‌که گرافن غیرقطبی است. اکسید گرافن آب‌دوست است، درحالی‌که گرافن آب‌گریز است.
این بدان معناست که اکسید گرافن محلول در آب، آمفی‌فیلیک، غیرسمی و زیست‌تخریب‌پذیر است و سوسپانسیون‌های کلوئیدی پایدار تشکیل می‌دهد. سطح اکسید گرافن حاوی گروه‌های اپوکسی، هیدروکسیل و کربوکسیل است که می‌توانند با کاتیون‌ها و آنیون‌ها برهم‌کنش داشته باشند. کامپوزیت‌های GO–پلیمر به‌دلیل ساختار هیبریدی آلی–معدنی منحصربه‌فرد و خواص استثنایی خود، ظرفیت بالایی برای کاربردهای صنعتی گوناگون دارند. (Tolasz et al. 2014)

اکسید گرافن احیاشده چیست؟

اکسید گرافن احیاشده (rGO) از طریق احیای فراصوتی، شیمیایی یا حرارتی اکسید گرافن تولید می‌شود. در مرحلهٔ احیا، بیشتر گروه‌های عاملی اکسیژن‌دار اکسید گرافن حذف می‌شوند، به‌طوری‌که اکسید گرافن احیاشدهٔ (rGO) حاصل، ویژگی‌هایی بسیار مشابه گرافن دست‌نخورده دارد. بااین‌حال، اکسید گرافن احیاشده (rGO) مانند گرافن خالص، بی‌نقص و دست‌نخورده نیست.

منابع علمی/مراجع

FactSheet: Ultrasonic Graphene Exfoliation and Dispersion – Hielscher Ultrasonics – english version
FactSheet: Exfoliación y Dispersión de Grafeno por Ultrasonidos – Hielscher Ultrasonics – spanish version
Gouvea R.A., Konrath Jr L.G., Cava S., Carreno N.L.V., Goncalves M.R.F. (2011): Synthesis of nanometric graphene oxide and its effects when added in MgAl₂O₄ ceramic. 10th SPBMat Brazil.
Kamisan A.I., Zainuddin L.W., Kamisan A.S., Kudin T.I.T., Hassan O.H., Abdul Halim N., Yahya M.Z.A. (2016): Ultrasonic Assisted Synthesis of Reduced Graphene Oxide in Glucose Solution. Key Engineering Materials Vol. 708, 2016. 25-29.
Štengl V., Henych J., Slušná M., Ecorchard P. (2014): Ultrasound exfoliation of inorganic analogues of graphene. Nanoscale Research Letters 9(1), 2014.
Štengl, V. (2012): Preparation of Graphene by Using an Intense Cavitation Field in a Pressurized Ultrasonic Reactor. Chemistry – A European Journal 18(44), 2012. 14047-14054.
Tolasz J., Štengl V., Ecorchard P. (2014): The Preparation of Composite Material of Graphene Oxide–Polystyrene. 3rd International Conference on Environment, Chemistry and Biology IPCBEE vol.78, 2014.
Potts J. R., Dreyer D. R., Bielawski Ch. W., Ruoff R.S (2011): Graphene-based polymer nanocomposites. Polymer Vol. 52, Issue 1, 2011. 5–25.