پراکندگی اولتراسونیک گرافن
برای ترکیب گرافن در کامپوزیت ها، پراکنده کردن یا لایه برداری گرافن به صورت یکنواخت در طول فرمولاسیون ضروری است. هرچه گرافن به طور کامل از بین برود ، می توان از خواص مواد فوق العاده آن بهتر استفاده کرد. پراکندگی اولتراسونیک ارائه می دهد توزیع ذرات برتر و ثبات پراکندگی، حتی در غلظت های بالا و ویسکوزیته. این روش کیفیت پراکندگی فوق العاده ای را ارائه می دهد که بسیار فراتر از تکنیک های اختلاط معمولی است.
پراکندگی اولتراسونیک گرافن
برای آغشته کردن کامپوزیت ها به ویژگی های برجسته گرافن، مانند استحکام آن، گرافن باید به طور یکنواخت در یک ماتریس پراکنده شود یا به عنوان یک پوشش لایه نازک بر روی یک بستر اعمال شود. عوامل کلیدی موثر بر خواص مواد حاصل شامل تجمع ، رسوب گذاری و پراکندگی در ماتریس یا توزیع ذرات روی بستر است.
با توجه به ماهیت آبگریز گرافن، ایجاد یک پراکندگی پایدار و بسیار غلیظ بدون سورفکتانت ها یا پراکنده کننده ها چالش برانگیز است. غلبه بر نیروهای واندروالس نیاز به نیروهای برشی قوی دارد که می تواند به طور موثر توسط کاویتاسیون اولتراسونیک تولید شود. این روش پیچیده ترین روش برای تهیه پراکندگی پایدار است.
[/one_third_last]
اطلاعات بیشتر و جزئیات فنی در مورد Hielscher صنعتی پروب نوع فراصوت برای لایه برداری گرافن و پراکندگی را می توان در اینجا یافت:
- UIP1000hdT (سونوگرافی قدرت 1000 وات)
- UIP2000hdT (سونوگرافی قدرت 2000 وات)
- UIP4000hdT (سونوگرافی قدرت 4000 وات)
- UIP6000hdT (سونوگرافی قدرت 6000 وات)
- UIP16000hdT (سونوگرافی قدرت 16000 وات)
همه فراصوت Hielscher اجازه می دهد برای کنترل دقیق بیش از تمام پارامترهای مهم فرآیند, فن آوری پراکندگی مافوق صوت جلوگیری از آسیب از ساختارهای شیمیایی و کریستالی گرافن – در نتیجه پوسته های گرافن بکر و بدون نقص ایجاد می شود.
مافوق صوت های قدرتمند Hielscher قادر به پردازش گرافن و گرافیت در حجم زیاد، به عنوان مثال برای لایه برداری فاز مایع و پراکندگی گرافن هستند. کنترل دقیق بر پارامترهای فرآیند اجازه می دهد تا مقیاس بدون درز فرآیندهای اولتراسونیک از نیمکت بالا به تولید کامل تجاری.
گرافن چند لایه برداری شده با حدود 3-4 لایه و اندازه تقریبا 1μm را می توان (دوباره) در غلظت حداقل 63 میلی گرم در میلی لیتر پراکنده کرد.

تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی از نانوپلاکت های گرافن در (b) X3000 و (c) X8000
(مطالعه و تصاویر: ©علیزاده و همکاران، 1397)
- گرافن با کیفیت بالا
- توان عملیاتی بالا / بازده بالا
- پراکندگی یکنواخت
- غلظت بالا
- ویسکوزیته بالا
- روند سریع
- کم هزینه
- بسیار کارآمد
- سازگار با محیط زیست
هموژنایزرهای التراسونیک و پراکنده کننده برای گرافن
Hielscher مافوق صوت فراهم می کند سیستم های مافوق صوت با قدرت بالا برای لایه برداری و پراکنده فله لایه گرافن و گرافیت به تک - ، دو - و چند لایه گرافن. پردازنده های اولتراسونیک قابل اعتماد و راکتورهای پیشرفته آنها قدرت لازم و کنترل دقیق را برای دستیابی به اهداف فرآیند خاص ارائه می دهند.
یکی از ضروری ترین پارامترهای فرآیند، دامنه اولتراسونیک است که جابجایی ارتعاشی در شاخ اولتراسونیک است. مافوق صوت صنعتی Hielscher طراحی شده اند برای ارائه دامنه های بسیار بالا، با عملیات مداوم تا 200μm. برای دامنه های حتی بالاتر ، پروب های اولتراسونیک سفارشی در دسترس هستند. پارامترهای فرایند از تمام فراصوت Hielscher را می توان دقیقا به شرایط فرآیند مورد نیاز تنظیم و از طریق ساخته شده در نرم افزار نظارت, اطمینان از قابلیت اطمینان بالا, کیفیت سازگار, و نتایج تکرار. طراحی قوی از ماسونیک های Hielscher برای عملیات 24/7 در محیط های خواستار ساخته شده، و فراصوت فن آوری ارجح برای تولید در مقیاس بزرگ از تک و چند لایه نانوصفحات گرافن.
Hielscher ارائه می دهد طیف گسترده ای از ultrasonicators و لوازم جانبی، از جمله sonotrodes و راکتورها از اندازه های مختلف و هندسه. این امکان انتخاب شرایط و عوامل واکنش بهینه مانند معرف ها، ورودی انرژی اولتراسونیک در هر حجم، فشار، دما و سرعت جریان را برای دستیابی به بالاترین کیفیت فراهم می کند. راکتورهای اولتراسونیک خود را می توان تا چند صد barg تحت فشار, ساخت فراصوت از خمیرهای بسیار چسبناک (تا 250,000 سانتی پویز) امکان پذیر است.
این قابلیت ها باعث لایه لایه شدن اولتراسونیک ، لایه برداری و پراکندگی برتر از تکنیک های سنگ زنی و فرز معمولی می شود.

گرافیکی تجسم سنتز اولتراسونیک نانوپلاکت گرافن با استفاده از فراصوت UP100H
(مطالعه و گرافیک: غانم و رحیم، 1397)
Hielscher Sonicators برای گرافن:
- سونوگرافی با قدرت بالا
- نیروهای برشی بالا
- فشارهای بالا قابل اجرا است
- کنترل دقیق
- مقیاس پذیری بدون درز (خطی)
- دسته ای و جریان از طریق
- نتایج قابل تکرار
- قابلیت اطمینان
- نیرومندی
- بهره وری انرژی بالا
حقایقی که ارزش دانستن دارند
گرافن چیست؟
گرافن یک لایه کربن به ضخامت یک اتم است که می توان آن را به عنوان یک ساختار تک لایه یا دو بعدی گرافن توصیف کرد (گرافن تک لایه = SLG). گرافن دارای سطح ویژه فوق العاده بزرگ و خواص مکانیکی برتر (مدول یانگ 1 TPa و استحکام ذاتی 130 GPa) است، رسانایی الکترونیکی و حرارتی عالی، تحرک حامل بار، شفافیت را ارائه می دهد و در برابر گازها نفوذ ناپذیر است. با توجه به این ویژگی های مواد، گرافن به عنوان افزودنی تقویت کننده استفاده می شود تا به کامپوزیت ها استحکام، رسانایی و غیره بدهد. به منظور ترکیب ویژگی های گرافن با سایر مواد، گرافن باید در ترکیب پراکنده شود یا به عنوان یک پوشش لایه نازک بر روی یک بستر اعمال شود.
حلال های رایج که اغلب به عنوان فاز مایع برای پراکندگی نانوصفحات گرافن استفاده می شوند، شامل دی متیل سولفوکسید (DMSO)، N، N-دی متیل فرمامید (DMF)، N-متیل-2-پیرولیدون (NMP)، تترامتیل اوره (TMU، تتراهیدروفوران (THF)، پروپیلن کربناستون (PC)، اتانول و فرمامید هستند.
آیا گرافن می تواند در آب پراکنده شود؟
بله، گرافن را می توان با استفاده از سورفکتانت ها، پلیمرها یا سایر عوامل تثبیت کننده در آب پراکنده کرد تا از تجمع جلوگیری کند و پایداری پراکندگی را حفظ کند. تجهیزات پراکنده قابل اعتماد مانند فراصوت های پروب نوع نیز نقش مهمی در پراکندگی گرافن با استفاده از انرژی مافوق صوت برای شکستن آگلومراها و کاهش اندازه ذرات گرافن، ترویج پراکندگی یکنواخت تر و پایدار تر در محیط مایع.
آیا اکسید گرافن می تواند در آب حل شود؟
بله، اکسید گرافن به دلیل گروه های عملکردی حاوی اکسیژن می تواند در آب حل شود که آب دوستی آن را افزایش می دهد و به آن اجازه می دهد پراکندگی آبی پایدار ایجاد کند.
بهترین حلال برای پراکنده کردن گرافن چیست؟
بهترین حلال برای پراکندگی گرافن N-متیل-2-پیرولیدون (NMP) است که به دلیل قطبیت بالا و توانایی آن در تثبیت ورق های گرافن و در نتیجه پراکندگی یکنواخت و پایدار ایجاد می شود.
چرا گرافن در آب نامحلول است؟
گرافن در آب نامحلول است زیرا فاقد گروه های عملکردی است که بتوانند با مولکول های آب تعامل داشته باشند و به دلیل نیروهای قوی واندروالس بین صفحات گرافن، آبگریز و مستعد تجمع آن را می کند.
چرا گرافن در کامپوزیت ها استفاده می شود؟
گرافن با ضخامت یک اتم نازک ترین است و وزن آن تقریبا 0.77 میلی گرم در 1 متر استH2S سبک ترین و با سختی کششی 150,000,000 psi (100-300 برابر قوی تر از فولاد) و استحکام کششی 130,000,000,000 پاسکال قوی ترین ماده شناخته شده.
علاوه بر این، گرافن بهترین رسانای حرارتی (در دمای اتاق با (4.84±0.44) × 10 است.3 تا (5.30±0.48) × 103 W·m-11· K-1) و بهترین رسانای الکتریکی (تحرک الکترون بالاتر از 15000 سانتی مترH2S· V-1·-1).
یکی دیگر از ویژگی های مهم گرافن خاصیت نوری آن با جذب نور در πα≈2.3٪ نور سفید و ظاهر شفاف آن است.
با ترکیب گرافن در ماتریس ها، آن ویژگی های برجسته مواد را می توان به کامپوزیت حاصل منتقل کرد که عملکردهای منحصر به فردی را ارائه می دهد. چنین کامپوزیت های تقویت شده با گرافن امکانات جدیدی را برای توسعه مواد و کاربردهای صنعتی ارائه می دهند. به دلیل ویژگی های آن، گرافن و کامپوزیت های گرافن در حال حاضر به طور گسترده ای در ساخت باتری های با کارایی بالا، ابرخازن ها، جوهرهای رسانا، پوشش ها، سیستم های فتوولتائیک و دستگاه های الکترونیکی گسترش یافته اند
ماسونکاتورهای Hielscher ارائه نیروهای برشی بالا مورد نیاز برای غلبه بر نیروهای واندروالس به منظور توزیع نانوصفحات گرافن به طور یکنواخت به ماتریس کامپوزیت. پراکنده کننده های مافوق صوت مانند UIP2000hdT یا UIP16000 برای تولید گرافن- و گرافن اکسید تقویت شده نانو کامپوزیت استفاده می شود.
ادبیات/منابع
- 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 مافوق صوت تولید کننده هموژنایزرهای مافوق صوت با کارایی بالا از ازمایشگاه ها تا اندازه صنعتی.