پراکنش فراصوتی گرافن
برای افزودن گرافن به کامپوزیت‌ها، لازم است گرافن به‌صورت نانوورقه‌های منفرد در سراسر فرمولاسیون به‌طور یکنواخت پراکنده یا لایه‌برداری شود. هرچه کلوخه‌زدایی گرافن کامل‌تر باشد، بهتر می‌توان از خواص فوق‌العادهٔ آن بهره برد. پراکنش فراصوتی، حتی در غلظت‌ها و گرانروی‌های بالا، توزیع ذرات و پایداری پراکنش برتری فراهم می‌کند. این روش کیفیت پراکنش فوق‌العاده‌ای ارائه می‌دهد که بسیار فراتر از روش‌های متداول اختلاط است.
پراکنش فراصوتی گرافن
برای انتقال ویژگی‌های برجستهٔ گرافن، مانند استحکام آن، به کامپوزیت‌ها، گرافن باید به‌طور یکنواخت در یک ماتریس پراکنده شود یا به‌صورت پوشش لایه‌نازک روی یک زیرلایه اعمال شود. عوامل کلیدی مؤثر بر خواص مادهٔ حاصل شامل کلوخه‌شدن، ته‌نشینی و پراکنش درون ماتریس یا توزیع ذرات روی زیرلایه هستند.
به‌دلیل ماهیت آب‌گریز گرافن، ایجاد پراکنشی پایدار و بسیار غلیظ بدون مواد فعال سطحی یا عوامل پراکنده‌ساز دشوار است. غلبه بر نیروهای واندروالس به نیروهای برشی قوی نیاز دارد که کاویتاسیون فراصوتی می‌تواند آن‌ها را به‌طور مؤثر ایجاد کند. این روش پیشرفته‌ترین روش برای تهیهٔ پراکنش‌های پایدار است.
سونیکاتورهای صنعتی برای پراکنش گرافن با ظرفیت پردازش بالا.
با استفاده از یک پراکنده‌ساز فراصوتی، مانند سونیکاتور 2kW مدل UIP2000hdT، سونیکاتور 4kW مدل UIP4000hdT، سونیکاتور 6kW مدل UIP6000hdT یا سونیکاتور 16kW مدل UIP16000hdT، می‌توان به‌آسانی گرافن با رسانایی الکتریکی بالا (712 S·m-1)، پراکندگی مناسب و غلظت بالا تهیه کرد. فراصوت‌دهی همچنین امکان تهیهٔ پراکنش پایدار گرافن را در دمای پایین فرایند، حدود 65°C، فراهم می‌کند.
اطلاعات بیشتر و جزئیات فنی دربارهٔ سونیکاتورهای صنعتی پروبی Hielscher برای لایه‌برداری و پراکنش گرافن را می‌توانید در اینجا بیابید:
- UIP1000hdT (فراصوت پرتوان با توان 1000 وات)
- UIP2000hdT (فراصوت پرتوان با توان 2000 وات)
- UIP4000hdT (فراصوت پرتوان با توان 4000 وات)
- UIP6000hdT (فراصوت پرتوان با توان 6000 وات)
- UIP16000hdT (فراصوت پرتوان با توان 16٬000 وات)
تمام سونیکاتورهای Hielscher امکان کنترل دقیق همهٔ پارامترهای مهم فرایند را فراهم می‌کنند؛ فناوری پراکنش فراصوتی از آسیب به ساختارهای شیمیایی و بلوری گرافن جلوگیری می‌کند – و در نتیجه پولک‌های گرافن بکر و بدون نقص حاصل می‌شوند.
دستگاه‌های فراصوت پرتوان Hielscher قادرند گرافن و گرافیت را در حجم‌های زیاد، برای مثال برای لایه‌برداری در فاز مایع و پراکنش گرافن، پردازش کنند. کنترل دقیق پارامترهای فرایند امکان افزایش مقیاس بی‌وقفهٔ فرایندهای فراصوتی را از مقیاس رومیزی تا تولید کاملاً تجاری فراهم می‌کند.
گرافن کم‌لایهٔ لایه‌برداری‌شده با فراصوت، با حدود 3–4 لایه و اندازهٔ تقریبی 1μm، را می‌توان در غلظت‌های حداقل 63 mg/mL پراکنده یا دوباره پراکنده کرد.
تصاویر SEM نانوپلاکت‌های گرافن با بزرگ‌نمایی‌های (b) X3000 و (c) X8000
(پژوهش و تصاویر: ©Alizadeh et al., 2018)
- گرافن با کیفیت بالا
- ظرفیت پردازش بالا / بازده تولید بالا
- پراکنش یکنواخت
- غلظت بالا
- گرانروی‌های بالا
- فرایند سریع
- هزینهٔ پایین
- کارایی بسیار بالا
- سازگار با محیط‌زیست
راکتور فراصوتی 7kW برای پراکنش‌های گرافن
هموژنایزرها و پراکنده‌ساز فراصوتی برای گرافن
Hielscher Ultrasonics سامانه‌های فراصوتی پرتوانی برای لایه‌برداری و پراکنش گرافن و گرافیت توده‌ایِ لایه‌دار و تبدیل آن‌ها به گرافن تک‌لایه، دولایه و کم‌لایه ارائه می‌دهد. پردازشگرهای فراصوتی قابل‌اعتماد و راکتورهای پیشرفتهٔ این شرکت، توان لازم و کنترل دقیق را برای دستیابی به اهداف مشخص فرایند فراهم می‌کنند.
یکی از اساسی‌ترین پارامترهای فرایند، دامنهٔ فراصوت است که جابه‌جایی ارتعاشی در هورن فراصوتی را بیان می‌کند. دستگاه‌های فراصوت صنعتی Hielscher برای ایجاد دامنه‌های بسیار بالا طراحی شده‌اند و می‌توانند به‌طور پیوسته با دامنه‌هایی تا 200µm کار کنند. برای دامنه‌های بالاتر نیز پروب‌های فراصوتی سفارشی عرضه می‌شوند. پارامترهای فرایند در تمام سونیکاتورهای Hielscher را می‌توان متناسب با شرایط موردنیاز فرایند به‌دقت تنظیم و از طریق نرم‌افزار داخلی پایش کرد؛ این قابلیت، قابلیت اطمینان بالا، کیفیت ثابت و نتایج تکرارپذیر را تضمین می‌کند. طراحی مستحکم سونیکاتورهای Hielscher برای کارکرد 24/7 در محیط‌های دشوار انجام شده است و فراصوت‌دهی را به فناوری ترجیحی برای تولید نانوورقه‌های گرافن تک‌لایه و کم‌لایه در مقیاس بزرگ تبدیل می‌کند.
Hielscher طیف گسترده‌ای از دستگاه‌های فراصوت و لوازم جانبی، از جمله سونوتْرودها و راکتورها با اندازه‌ها و هندسه‌های گوناگون، ارائه می‌دهد. این تنوع امکان انتخاب شرایط و عوامل بهینهٔ واکنش، مانند واکنشگرها، انرژی فراصوتی ورودی به‌ازای واحد حجم، فشار، دما و دبی را برای دستیابی به بالاترین کیفیت فراهم می‌کند. راکتورهای فراصوتی این شرکت را می‌توان تا چند صد barg تحت فشار قرار داد؛ در نتیجه، فراصوت‌دهی خمیرهای بسیار گرانرو (تا 250٬000 centipoise) امکان‌پذیر می‌شود.
این قابلیت‌ها، جداسازی لایه‌ها، لایه‌برداری و پراکنش فراصوتی را نسبت به روش‌های متداول سایش و آسیاب‌کردن برتر می‌سازند.
سونیکاتورهای Hielscher پیشرفته‌ترین هموژنایزرهای فراصوتی موجود در بازار هستند. از مزایای متعدد سونیکاتورهای Hielscher بهره‌مند شوید!
نمای شماتیک سنتز فراصوتی نانوپلاکت‌های گرافن با استفاده از سونیکاتور UP100H
(پژوهش و نمای شماتیک: Ghanem and Rehim, 2018)
سونیکاتورهای Hielscher برای گرافن:
- فراصوت پرتوان
- نیروهای برشی قوی
- امکان اعمال فشارهای بالا
- کنترل دقیق
- مقیاس‌پذیری بی‌وقفه (خطی)
- ناپیوسته و جریان‌گذر
- نتایج تکرارپذیر
- قابلیت اطمینان
- استحکام
- بهره‌وری انرژی بالا
دانستنی‌های مفید
گرافن چیست؟
گرافن لایه‌ای از کربن با ضخامت یک اتم است که می‌توان آن را ساختاری تک‌لایه یا 2D از گرافن توصیف کرد (گرافن تک‌لایه = SLG). گرافن دارای سطح ویژهٔ فوق‌العاده زیاد و خواص مکانیکی برتر (مدول یانگ 1 TPa و استحکام ذاتی 130 GPa) است، رسانایی الکترونی و حرارتی، تحرک حامل‌های بار و شفافیت بسیار خوبی دارد و در برابر گازها نفوذناپذیر است. به‌دلیل این خواص، گرافن به‌عنوان افزودنی تقویت‌کننده استفاده می‌شود تا استحکام، رسانایی و دیگر ویژگی‌های خود را به کامپوزیت‌ها منتقل کند. برای ترکیب ویژگی‌های گرافن با سایر مواد، گرافن باید در ترکیب پراکنده شود یا به‌صورت پوشش لایه‌نازک روی یک زیرلایه اعمال شود.
حلال‌های متداولی که اغلب به‌عنوان فاز مایع برای پراکنش نانوورقه‌های گرافن استفاده می‌شوند عبارت‌اند از دی‌متیل سولفوکسید (DMSO)، N,N-دی‌متیل‌فرمامید (DMF)، N-متیل-2-پیرولیدون (NMP)، تترامتیل‌اوره (TMU، تتراهیدروفوران (THF)، پروپیلن کربنات‌استون (PC)، اتانول و فرمامید.
آیا می‌توان گرافن را در آب پراکنده کرد؟
بله، می‌توان گرافن را با استفاده از مواد فعال سطحی، پلیمرها یا سایر عوامل پایدارکننده در آب پراکنده کرد تا از تجمع جلوگیری شود و پایداری پراکنش حفظ گردد. تجهیزات پراکنش قابل‌اعتماد، مانند سونیکاتورهای پروبی، نیز با استفاده از انرژی فراصوتی برای شکستن کلوخه‌ها و کاهش اندازهٔ ذرات گرافن، نقش مهمی در پراکنش گرافن دارند و به ایجاد پراکنشی یکنواخت‌تر و پایدارتر در محیط مایع کمک می‌کنند.
آیا اکسید گرافن می‌تواند در آب حل شود؟
بله، اکسید گرافن به‌دلیل داشتن گروه‌های عاملی حاوی اکسیژن می‌تواند در آب حل شود؛ این گروه‌ها آب‌دوستی آن را افزایش می‌دهند و امکان تشکیل پراکنش‌های آبی پایدار را فراهم می‌کنند.
بهترین حلال برای پراکنش گرافن چیست؟
بهترین حلال برای پراکنش گرافن، N-متیل-2-پیرولیدون (NMP) است، زیرا قطبیت بالا و توانایی آن در پایدارسازی ورقه‌های گرافن به ایجاد پراکنشی یکنواخت و پایدار منجر می‌شود.
چرا گرافن در آب نامحلول است؟
گرافن در آب نامحلول است، زیرا فاقد گروه‌های عاملی است که بتوانند با مولکول‌های آب برهم‌کنش داشته باشند؛ ازاین‌رو آب‌گریز است و به‌دلیل نیروهای قوی واندروالس میان ورقه‌های گرافن، تمایل به تجمع دارد.
چرا از گرافن در کامپوزیت‌ها استفاده می‌شود؟
گرافن با ضخامت یک اتم، نازک‌ترین، با وزن تقریبی 0٫77 mg به‌ازای 1m2 سبک‌ترین، و با سفتی کششی 150٬000٬000 psi (100–300 برابر مستحکم‌تر از فولاد) و استحکام کششی 130٬000٬000٬000 Pascals، مستحکم‌ترین مادهٔ شناخته‌شده است.
افزون بر این، گرافن بهترین رسانای حرارتی (در دمای اتاق با رسانایی (4٫84±0٫44) × 103 تا (5٫30±0٫48) × 103 W·m-11·K-1) و بهترین رسانای الکتریکی است (با تحرک الکترونی بیش از 15٬000 cm2·V-1·s-1).
از دیگر ویژگی‌های مهم گرافن، خاصیت نوری آن با جذب πα≈2٫3% از نور سفید و ظاهر شفاف آن است.
با افزودن گرافن به ماتریس‌ها، می‌توان این خواص برجسته را به کامپوزیت حاصل منتقل کرد و قابلیت‌های منحصربه‌فردی به آن بخشید. چنین کامپوزیت‌های تقویت‌شده با گرافن، فرصت‌های تازه‌ای برای توسعهٔ مواد و کاربردهای صنعتی فراهم می‌کنند. به‌دلیل این ویژگی‌ها، گرافن و کامپوزیت‌های گرافنی هم‌اکنون به‌طور گسترده در ساخت باتری‌های با عملکرد بالا، ابرخازن‌ها، جوهرهای رسانا، پوشش‌ها، سامانه‌های فتوولتائیک و تجهیزات الکترونیکی به‌کار می‌روند.
سونیکاتورهای Hielscher نیروهای برشی قوی موردنیاز برای غلبه بر نیروهای واندروالس را فراهم می‌کنند تا نانوورقه‌های گرافن به‌طور یکنواخت در ماتریس‌های کامپوزیتی توزیع شوند. پراکنده‌سازهای فراصوتی مانند UIP2000hdT یا UIP16000 برای تولید نانوکامپوزیت‌های تقویت‌شده با گرافن و اکسید گرافن استفاده می‌شوند.
منابع و مراجع
- 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.
Hielscher Ultrasonics هموژنایزرهای فراصوتی با عملکرد بالا را در مقیاس‌های آزمایشگاهی تا صنعتی تولید می‌کند.