لایه برداری اولتراسونیک گرافن قابل پخش در آب
- نانوصفحات گرافن تک لایه و دو لایه را می توان به سرعت از طریق لایه برداری اولتراسونیک با توان عملیاتی بالا و با هزینه کم تولید کرد.
- گرافن لایه برداری التراسونیک را می توان با بیوپلیمرها به منظور به دست آوردن گرافن قابل پخش در آب عملکرد.
- با استفاده از حفره اولتراسونیک ، گرافن سنتز شده را می توان بیشتر به یک پراکندگی پایدار مبتنی بر آب پردازش کرد.
لایه برداری اولتراسونیک گرافن با کیفیت بالا
امواج فراصوت یک روش قابل اعتماد برای تولید لایه های گرافن (تک ، دو و چند لایه گرافن) از پوسته های گرافیت و یا ذرات است. در حالی که دیگر تکنیک های لایه برداری رایج مانند توپ و رول آسیاب و یا میکسر برشی بالا به کیفیت پایین و استفاده از معرف های تهاجمی و حلال مرتبط, روش لایه برداری مافوق صوت متقاعد با خروجی با کیفیت بالا آن, ظرفیت فرآیند بالا و شرایط پردازش خفیف.
کاویتاسیون اولتراسونیک ایجاد نیروهای برشی شدید، که جدا لایه های گرافیت انباشته به مونو، دو- و چند لایه از گرافن بدون عیب.
ورق های گرافن قابل پخش در آب از طریق فراصوت
امواج فراصوت یک روش موثر با نتایج تکرارپذیر برای باز کردن گره زدن نانولوله های کربنی در آب یا حلال های آلی است. [/عنوان] در شرایط عادی، گرافن به سختی در آب پراکنده می شود و وقتی در محیط آبی پراکنده می شود، سنگدانه ها و آگلومراها را تشکیل می دهد. از آنجایی که سیستم های آبی دارای مزایای قابل توجهی در ارزان بودن، غیر سمی و سازگار با محیط زیست هستند، سیستم های گرافن مبتنی بر آب برای تولیدکنندگان گرافن و صنایع پایین دستی بسیار جذاب هستند.
به منظور به دست آوردن نانوصفحات گرافن قابل پخش در آب، گرافن لایه برداری شده با التراسونیک با پلی ساکاریدها / بیوپلیمرها مانند پولولان، کیتوزان، آلژینات، ژلاتین یا صمغ عربی اصلاح می شود.
- گرافن با کیفیت بالا
- بازده بالا
- پراکندگی مبتنی بر آب
- غلظت بالا
- راندمان بالا
- روند سریع
- کم هزینه
- توان عملیاتی بالا
- سازگار با محیط زیست
راکتور التراسونیک با سونوگرافی نوع پروب برای لایه برداری گرافن در مقیاس صنعتی
پروتکل لایه برداری مستقیم گرافیت با استفاده از اولتراسونیک
پولولان غیریونی و آلژینات آنیونی (0/1 گرم) به طور جداگانه در 20 میلی لیتر آب مقطر حل شدند، در حالی که کیتوزان کاتیونی (4/0 گرم) در 20 میلی لیتر آب مقطر با 1 درصد وزنی اسید استیک حل شد. پودر گرافیت در محلول های بیوپلیمری آبی پراکنده شد و با استفاده از یک اولتراسونیک از نوع پروب UP200S (حداکثر توان 200 وات، فرکانس 24 کیلوهرتز، Hielscher Ultrasonics، آلمان) مجهز به سونوترود تیتانیوم (میکرو نوک S3، قطر نوک 3 میلی متر، حداکثر دامنه 210μm، چگالی توان صوتی یا شدت سطح 460 W cm-2) تحت شرایط زیر درمان شد: 0.5 چرخه و دامنه 50٪، به ترتیب برای مدت 10، 20، 30 و 60 دقیقه. بهترین نتایج در فراصوت 30 دقیقه به دست آمد. فراصوت با توان 25/16 وات به مدت 30 دقیقه با مصرف انرژی (انرژی خروجی در واحد حجم) 731 وات بر میلی لیتر اعمال شد.
سپس مخلوط ها با سرعت 1500 دور در دقیقه به مدت 60 دقیقه سانتریفیوژ شدند تا ذرات گرافیت لایه برداری نشده حذف شوند و سپس 5 بار شسته شدند و دوباره در 5000 دور در دقیقه به مدت 20 دقیقه سانتریفیوژ شدند تا بیوپلیمرهای اضافی حذف شوند. محلول های خاکستری تیره حاصل در دمای 40 درجه سانتی گراد تا زمانی که از دست دادن جرم انجام نشود، در خلاء خشک شدند. پودرهای پلیمر-گرافن به دست آمده برای شناسایی در آب (1 میلی گرم در میلی لیتر برای پولولان و کیتوزان، 18/0 میلی گرم بر میلی لیتر برای آلژینات) پخش شدند. ورق گرافن به دست آمده توسط پولولان-, آلژینات- و کیتوزان به کمک سونوگرافی به ترتیب به عنوان pull-G, alg-G, و chit-G نشان داده شد.
از بین سه سیستم، پولولان و کیتوزان در لایه برداری گرافیت موثرتر از آلژینات بودند. این روش لایه برداری شده از صفحات گرافن تک لایه برداری، دو لایه و چند لایه را با نقص جانبی (لبه) کم به دست آورد. جذب سطحی بیوپلیمرها بر روی سطح گرافن، پایداری طولانی مدت (بیش از 6 ماه) پراکندگی آبی را فراهم می کند.
(رجوع کنید به Unalan و همکاران 2015)
دنباله ای با سرعت بالا (از a تا f) از قاب هایی که لایه برداری سونومکانیکی پوسته گرافیت را در آب نشان می دهد با استفاده از UP200S، یک ultrasonicator 200W با sonotrode 3 میلی متر. فلش ها محل شکاف (لایه برداری) را با حباب های کاویتاسیون که به شکاف نفوذ می کنند نشان می دهند.
(مطالعه و تصاویر: © Tyurnina و همکاران 2020
تصاویر TEM از pull-G برای: (الف) 10 دقیقه؛ (ب) 20 دقیقه؛ (ج) 30 دقیقه؛ (د) 60 دقیقه؛ (ه) chit-G به مدت 30 دقیقه؛ (f) alg-G به مدت 30 دقیقه (Unalan و همکاران 2015)
Ultrasonicators برای لایه برداری گرافن
پردازنده های مافوق صوت با قدرت بالا Hielscher در سراسر جهان برای لایه برداری موفق و پراکندگی گرافیت و گرافن استفاده می شود. پراکنده کننده های اولتراسونیک ما از آزمایشگاه و نیمکت تا واحدهای تولید کامل صنعتی در دسترس هستند. علاوه بر استحکام، 24/7 عملیات و تعمیر و نگهداری کم، مافوق صوت Hielscher متقاعد با سهولت بالا از پردازش و مقیاس پذیری خطی.
فرآیندها را می توان به راحتی در آزمایشگاه آزمایش و بهینه کرد. پس از آن، تمام نتایج فرآیند را می توان به طور کامل خطی تا سطح تولید تجاری مقیاس بندی کرد. این باعث می شود فراصوت یک روش تولید موثر و کارآمد برای حجم بالایی از ورق های گرافن با کیفیت بالا.
پردازنده های مافوق صوت صنعتی Hielscher Ultrasonics می توانند دامنه های بسیار بالایی را ارائه دهند. دامنه های تا 200 میکرومتر را می توان به راحتی به طور مداوم در عملیات 24/7 اجرا کرد. برای دامنه های حتی بالاتر ، سونوترودهای اولتراسونیک سفارشی در دسترس هستند. تطبیق راکتورهای اولتراسوند قابلیت تولید انبوه قابل اعتماد و ایمن نانوصفحات گرافن با کیفیت بالا و همچنین پراکندگی نانوصفحات پایدار را تضمین می کند.
استحکام تجهیزات اولتراسونیک Hielscher را اجازه می دهد تا برای عملیات 24/7 در وظیفه سنگین و در محیط های خواستار.
جدول زیر به شما نشانه ای از ظرفیت پردازش تقریبی مافوق صوت ما می دهد:
| حجم دسته ای | نرخ جریان | دستگاه های توصیه شده |
|---|---|---|
| 10 تا 2000 میلی لیتر | 20 تا 400 میلی لیتر در دقیقه | تا 200 هرتز، UP400St |
| 0.1 تا 20 لیتر | 0.2 تا 4 لیتر در دقیقه | UIP2000hdT |
| 10 تا 100 لیتر | 2 تا 10 لیتر در دقیقه | UIP4000 |
| ن.ا. | 10 تا 100 لیتر در دقیقه | UIP16000 |
| ن.ا. | بزرگتر | خوشه ای از UIP16000 |
تماس با ما! / از ما بپرسید!
مکانیسم لایه برداری اولتراسونیک نانوصفحات دو بعدی.
(مطالعه و گرافیک: Tyurnina و همکاران ، 2020)
حقایقی که ارزش دانستن دارند
گرافن
گرافن تک لایه ای از sp استH2S-اتم های کربن پیوندی. گرافن ویژگی های منحصر به فردی از مواد مانند سطح خاص فوق العاده بزرگ (2620 متر) را ارائه می دهدH2Sg-1)، خواص مکانیکی برتر با مدول یانگ 1 TPa و استحکام ذاتی 130 گیگاپاسکال، رسانایی الکترونیکی بسیار بالا (تحرک الکترون در دمای اتاق 2.5 × 105 سانتی مترH2S V-1s-1، هدایت حرارتی بسیار بالا (بالاتر از 3000 W m K-1)، برای نام بردن از مهمترین املاک. گرافن به دلیل خواص مواد برتر، به شدت در توسعه و تولید باتری های با کارایی بالا، پیل های سوختی، سلول های خورشیدی، ابرخازن، ذخیره های هیدروژن، سپرهای الکترومغناطیسی و دستگاه های الکترونیکی استفاده می شود. علاوه بر این، گرافن در بسیاری از نانوکامپوزیت ها و مواد کامپوزیتی به عنوان افزودنی تقویت کننده، به عنوان مثال در پلیمرها، سرامیک ها و ماتریس های فلزی گنجانده شده است. گرافن به دلیل رسانایی بالا، جزء مهمی از رنگ ها و جوهرهای رسانا است.
سریع و ایمن آماده سازی اولتراسونیک گرافن بدون نقص در حجم زیاد با هزینه های کم امکان گسترش کاربردهای گرافن را به صنایع بیشتر و بیشتر فراهم می کند.
ادبیات/منابع
- 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 مافوق صوت تولید کننده هموژنایزرهای مافوق صوت با کارایی بالا از ازمایشگاه ها تا اندازه صنعتی.