لایه‌برداری فراصوتی گرافن قابل‌پراکنش در آب
- نانورقه‌های گرافن تک‌لایه و دولایه را می‌توان با لایه‌برداری فراصوتی، به‌سرعت، با ظرفیت تولید بالا و هزینهٔ کم تولید کرد.
- گرافن لایه‌برداری‌شده با فراصوت را می‌توان با زیست‌پلیمرها عامل‌دار کرد تا گرافن قابل‌پراکنش در آب به دست آید.
- با استفاده از کاویتاسیون فراصوتی، می‌توان گرافن سنتزشده را در مرحلهٔ بعد به یک پراکنهٔ پایدار بر پایهٔ آب تبدیل کرد.
لایه‌برداری فراصوتی گرافن باکیفیت
فراصوت‌دهی روشی قابل‌اعتماد برای تولید لایه‌های گرافن (گرافن تک‌لایه، دولایه و کم‌لایه) از پولک‌ها یا ذرات گرافیت است. درحالی‌که دیگر روش‌های رایج لایه‌برداری، مانند آسیاب‌های گلوله‌ای و غلتکی یا مخلوط‌کن‌های با برش بالا، با کیفیت پایین و استفاده از واکنشگرها و حلال‌های تهاجمی همراه‌اند، روش لایه‌برداری فراصوتی با محصول باکیفیت، ظرفیت بالای فرایند و شرایط ملایم پردازش متمایز می‌شود.
کاویتاسیون فراصوتی نیروهای برشی شدیدی ایجاد می‌کند که لایه‌های روی‌هم‌چیده‌شدهٔ گرافیت را به گرافن تک‌لایه، دولایه و کم‌لایهٔ بدون نقص تفکیک می‌کنند.
ورقه‌های گرافن قابل‌پراکنش در آب با فراصوت‌دهی
فراصوت‌دهی روشی مؤثر با نتایج تکرارپذیر برای باز کردن درهم‌تنیدگی نانولوله‌های کربنی در آب یا حلال‌های آلی است.[/caption]در شرایط عادی، گرافن به‌سختی در آب پراکنده می‌شود و هنگام پراکنده‌سازی در محیط آبی، تجمعات و کلوخه‌هایی تشکیل می‌دهد. ازآنجاکه سامانه‌های آبی مزایای مهمی مانند ارزان‌بودن، غیرسمی‌بودن و سازگاری با محیط‌زیست دارند، سامانه‌های گرافنی بر پایهٔ آب برای تولیدکنندگان گرافن و صنایع پایین‌دستی بسیار جذاب‌اند.
برای دستیابی به نانورقه‌های گرافن قابل‌پراکنش در آب، گرافن لایه‌برداری‌شده با فراصوت با پلی‌ساکاریدها / زیست‌پلیمرهایی مانند پولولان، کیتوسان، آلژینات، ژلاتین یا صمغ عربی اصلاح می‌شود.
- گرافن باکیفیت
- بازده تولید بالا
- پراکنه بر پایهٔ آب
- غلظت بالا
- کارایی بالا
- فرایند سریع
- هزینهٔ کم
- ظرفیت تولید بالا
- سازگار با محیط‌زیست
راکتور فراصوتی مجهز به سونیکاتورهای پروبی برای لایه‌برداری گرافن در مقیاس صنعتی
دستورالعمل لایه‌برداری مستقیم گرافیت با استفاده از فراصوت
پولولان غیریونی و آلژینات آنیونی (1٫0 g) به‌طور جداگانه در 20 ml آب مقطر حل شدند، درحالی‌که کیتوسان کاتیونی (0٫4 g) در 20 ml آب مقطر حاوی 1 wt% اسید استیک حل شد. پودر گرافیت در محلول‌های آبی زیست‌پلیمر پراکنده شد و با استفاده از سونیکاتور پروبی UP200S (حداکثر توان 200 W، فرکانس 24 kHz، Hielscher Ultrasonics، آلمان) مجهز به سونوتْرود تیتانیومی (میکروتیپ S3، قطر نوک 3 mm، حداکثر دامنهٔ نوسان 210µm، چگالی توان آکوستیکی یا شدت سطحی 460 W cm-2) تحت شرایط زیر تیمار شد: چرخهٔ 0٫5 و دامنهٔ نوسان 50%، به‌ترتیب برای مدت‌های 10، 20، 30 و 60 min. بهترین نتایج با فراصوت‌دهی به‌مدت 30min به دست آمد. فراصوت‌دهی با توان 16٫25 W به‌مدت 30 دقیقه و با مصرف انرژی (انرژی خروجی به‌ازای واحد حجم) 731 Ws ml-1 انجام شد.
سپس مخلوط‌ها برای حذف ذرات گرافیت لایه‌برداری‌نشده، در 1500 rpm به‌مدت 60 min سانتریفیوژ شدند و پس از 5 بار شست‌وشو، برای حذف زیست‌پلیمرهای اضافی دوباره در 5000 rpm به‌مدت 20 min سانتریفیوژ شدند. محلول‌های خاکستری تیرهٔ حاصل در خلأ و در دمای 40ºC خشک شدند تا دیگر کاهش جرمی رخ ندهد. پودرهای پلیمر–گرافن حاصل برای مشخصه‌یابی، دوباره در آب پراکنده شدند (1 mg ml-1 برای پولولان و کیتوسان؛ 0٫18 mg ml-1 برای آلژینات). ورقه‌های گرافن به‌دست‌آمده از فراصوت‌دهی به‌کمک پولولان، آلژینات و کیتوسان به‌ترتیب با نام‌های pull-G، alg-G و chit-G مشخص شدند.
از میان این سه سامانه، پولولان و کیتوسان در لایه‌برداری گرافیت مؤثرتر از آلژینات بودند. این روش ورقه‌های گرافن لایه‌برداری‌شدهٔ تک‌لایه، دولایه و کم‌لایه با نقص‌های جانبی (لبه‌ای) اندک تولید کرد. جذب سطحی زیست‌پلیمرها روی سطح گرافن، پایداری طولانی‌مدت (بیش از 6 ماه) پراکنهٔ آبی را فراهم می‌کند.
(رجوع کنید به Unalan et al. 2015)
توالی پرسرعتی از فریم‌ها (از a تا f) که لایه‌برداری صوتی–مکانیکی یک پولک گرافیت در آب را با استفاده از UP200S، یک سونیکاتور 200W مجهز به سونوتْرود 3-mm، نشان می‌دهد. پیکان‌ها محل شکافت (لایه‌برداری) را نشان می‌دهند که حباب‌های کاویتاسیون به درون آن نفوذ می‌کنند.
(پژوهش و تصاویر: © Tyurnina et al. 2020
تصاویر TEM از pull-G برای: (a) 10 min؛ (b) 20 min؛ (c) 30 min؛ (d) 60 min؛ (e) chit-G برای 30 min؛ (f) alg-G برای 30 min. (Unalan et al. 2015)
سونیکاتورها برای لایه‌برداری گرافن
پردازشگرهای فراصوتی پرتوان Hielscher در سراسر جهان برای لایه‌برداری و پراکنده‌سازی موفق گرافیت و گرافن استفاده می‌شوند. پراکنده‌سازهای فراصوتی ما از مدل‌های آزمایشگاهی و رومیزی تا واحدهای تولید کاملاً صنعتی در دسترس‌اند. سونیکاتورهای Hielscher علاوه بر استحکام، کارکرد 24/7 و نیاز کم به نگهداری، با سهولت بالای پردازش و مقیاس‌پذیری خطی متمایز می‌شوند.
فرایندها را می‌توان به‌آسانی در آزمایشگاه آزمود و بهینه‌سازی کرد. پس از آن، تمام نتایج فرایند را می‌توان به‌صورت کاملاً خطی به مقیاس تولید تجاری منتقل کرد. این ویژگی، فراصوت‌دهی را به روشی مؤثر و کارآمد برای تولید حجم بالایی از ورقه‌های گرافن باکیفیت تبدیل می‌کند.
پردازشگرهای فراصوتی صنعتی Hielscher Ultrasonics می‌توانند دامنه‌های نوسان بسیار بالایی ایجاد کنند. کارکرد پیوسته با دامنه‌های نوسان تا 200µm به‌آسانی در حالت 24/7 امکان‌پذیر است. برای دامنه‌های نوسان حتی بالاتر، سونوتْرودهای فراصوتی سفارشی در دسترس‌اند. راکتورهای فراصوتی متناسب، قابلیت تولید انبوه قابل‌اعتماد و ایمن نانورقه‌های گرافن باکیفیت و نیز پراکنه‌های پایدار نانورقه‌ها را تضمین می‌کنند.
استحکام تجهیزات فراصوتی Hielscher امکان کارکرد 24/7 را تحت بار کاری سنگین و در محیط‌های دشوار فراهم می‌کند.
جدول زیر نمایی از ظرفیت تقریبی پردازش سونیکاتورهای ما ارائه می‌دهد:
| حجم بچ | دبی | دستگاه‌های پیشنهادی |
|---|---|---|
| 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 | UIP4000 |
| قابل‌اعمال نیست | 10 تا 100L/min | UIP16000 |
| قابل‌اعمال نیست | بیشتر | مجموعه‌ای از UIP16000 |
با ما تماس بگیرید! / از ما بپرسید!
سازوکار لایه‌برداری فراصوتی نانورقه‌های 2D.
(پژوهش و نمودار: Tyurnina et al., 2020)
دانستنی‌های مفید
گرافن
گرافن تک‌لایه‌ای از اتم‌های کربن با پیوند sp2 است. گرافن ویژگی‌های ماده‌ای منحصربه‌فردی دارد، از جمله مساحت سطح ویژهٔ فوق‌العاده زیاد (2620 m2 g-1)، خواص مکانیکی برتر با مدول یانگ 1 TPa و استحکام ذاتی 130 GPa، رسانایی الکترونی بسیار بالا (تحرک الکترون در دمای اتاق برابر با 2٫5 × 105 cm2 V-1 s-1)، رسانایی حرارتی بسیار بالا (بیش از 3000 W m K-1)، که از مهم‌ترین ویژگی‌های آن به شمار می‌روند. به‌دلیل خواص ماده‌ای برتر، گرافن به‌طور گسترده در توسعه و تولید باتری‌های پربازده، پیل‌های سوختی، سلول‌های خورشیدی، ابرخازن‌ها، سامانه‌های ذخیره‌سازی هیدروژن، حفاظ‌های الکترومغناطیسی و دستگاه‌های الکترونیکی استفاده می‌شود. افزون بر این، گرافن به‌عنوان افزودنی تقویت‌کننده در بسیاری از نانوکامپوزیت‌ها و مواد کامپوزیتی، برای مثال در پلیمرها، سرامیک‌ها و زمینه‌های فلزی، به کار می‌رود. گرافن به‌دلیل رسانایی بالای خود، یکی از اجزای مهم رنگ‌ها و جوهرهای رساناست.
تهیهٔ سریع و ایمن از طریق تولید فراصوتی گرافن بدون نقص در حجم بالا و با هزینهٔ کم، امکان گسترش کاربردهای گرافن را به صنایع هرچه بیشتری فراهم می‌کند.
منابع / مراجع
- FactSheet: Ultrasonic Graphene Exfoliation and Dispersion – Hielscher Ultrasonics – english version
- FactSheet: Exfoliación y Dispersión de Grafeno por Ultrasonidos – Hielscher Ultrasonics – spanish version
- 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.
- Anastasia V. Tyurnina, Iakovos Tzanakis, Justin Morton, Jiawei Mi, Kyriakos Porfyrakis, Barbara M. Maciejewska, Nicole Grobert, Dmitry G. Eskin 2020): Ultrasonic exfoliation of graphene in water: A key parameter study. Carbon, Vol. 168, 2020.
- Unalan I.U., Wan C., Trabattoni S., Piergiovannia L., Farris S. (2015): Polysaccharide-assisted rapid exfoliation of graphite platelets into high quality water-dispersible graphene sheets. RSC Advances 5, 2015. 26482–26490.
- del Bosque, A.; Sánchez-Romate, X.F.; Sánchez, M.; Ureña, A. (2022): Easy-Scalable Flexible Sensors Made of Carbon Nanotube-Doped Polydimethylsiloxane: Analysis of Manufacturing Conditions and Proof of Concept. Sensors 2022, 22, 5147.
Hielscher Ultrasonics هموژنایزرهای فراصوتی با عملکرد بالا را در مقیاس‌های آزمایشگاهی تا صنعتی تولید می‌کند.