ગ્રાફીનનું અલ્ટ્રાસોનિક વિક્ષેપન
ગ્રાફીનને સંયુક્ત પદાર્થોમાં સમાવિષ્ટ કરવા માટે, સમગ્ર સંમિશ્રણમાં ગ્રાફીનને એકલ નેનો શીટ્સ સ્વરૂપે એકસરખી રીતે વિક્ષેપિત કરવું અથવા તેનું સ્તરવિચ્છેદન કરવું આવશ્યક છે. ગ્રાફીનના સમૂહિત કણોને જેટલી વધુ સંપૂર્ણ રીતે અલગ પાડવામાં આવે, તેટલો તેના અસાધારણ પદાર્થ ગુણધર્મોનો વધુ સારી રીતે ઉપયોગ કરી શકાય છે. અલ્ટ્રાસોનિક વિક્ષેપન ઊંચી સાંદ્રતા અને શ્યાનતા પર પણ ઉત્કૃષ્ટ કણ વિતરણ અને વિક્ષેપનની સ્થિરતા પ્રદાન કરે છે. આ પદ્ધતિ પરંપરાગત મિશ્રણ તકનીકો કરતાં ઘણી ચડિયાતી, અસાધારણ વિક્ષેપન ગુણવત્તા પ્રદાન કરે છે.
ગ્રાફીનનું અલ્ટ્રાસોનિક વિક્ષેપન
સંયુક્ત પદાર્થોને ગ્રાફીનની મજબૂતાઈ જેવી તેની અસાધારણ લાક્ષણિકતાઓ આપવા માટે, ગ્રાફીનને મેટ્રિક્સમાં એકસરખી રીતે વિક્ષેપિત કરવું અથવા આધારસપાટી પર પાતળી ફિલ્મના આવરણ તરીકે લગાવવું જરૂરી છે. પરિણામી પદાર્થના ગુણધર્મોને પ્રભાવિત કરતાં મુખ્ય પરિબળોમાં કણોનું સમૂહીકરણ, અવસાદન અને મેટ્રિક્સની અંદરનું વિક્ષેપન અથવા આધારસપાટી પરનું કણ વિતરણ સામેલ છે.
ગ્રાફીનના જલવિરોધી સ્વભાવને કારણે, પૃષ્ઠસક્રિય પદાર્થો અથવા વિક્ષેપકો વિના સ્થિર અને અત્યંત સાંદ્ર વિક્ષેપણ તૈયાર કરવું પડકારજનક છે. વાન ડેર વાલ્સ બળો પર કાબૂ મેળવવા માટે પ્રબળ કતરણ બળો જરૂરી છે, જે અલ્ટ્રાસોનિક કેવિટેશન દ્વારા અસરકારક રીતે ઉત્પન્ન કરી શકાય છે. સ્થિર વિક્ષેપણો તૈયાર કરવા માટે આ સૌથી અદ્યતન પદ્ધતિ છે.
ગ્રાફીનના ઊંચી પ્રક્રિયા ક્ષમતાવાળા વિક્ષેપન માટેના ઔદ્યોગિક સોનિકેટર્સ.
2kW સોનિકેટર UIP2000hdT, 4kW સોનિકેટર UIP4000hdT, 6kW સોનિકેટર UIP6000hdT અથવા 16kW સોનિકેટર UIP16000hdT જેવા અલ્ટ્રાસોનિક વિક્ષેપકનો ઉપયોગ કરીને, ઊંચી વિદ્યુત વાહકતા (712 S·m-1), સારી વિક્ષેપણક્ષમતા અને ઊંચી સાંદ્રતા ધરાવતું ગ્રાફીન સરળતાથી તૈયાર કરી શકાય છે. સોનિકેશન દ્વારા આશરે 65°C જેટલા નીચા પ્રક્રિયા તાપમાને પણ સ્થિર ગ્રાફીન વિક્ષેપણ તૈયાર કરી શકાય છે.
ગ્રાફીનના સ્તરવિચ્છેદન અને વિક્ષેપન માટેના Hielscher ઔદ્યોગિક પ્રોબ પ્રકારના સોનિકેટર્સ વિશે વધુ માહિતી અને તકનીકી વિગતો અહીં મળી શકે છે:
- UIP1000hdT (1000 વોટ શક્તિનું અલ્ટ્રાસાઉન્ડ)
- UIP2000hdT (2000 વોટ શક્તિનું અલ્ટ્રાસાઉન્ડ)
- UIP4000hdT (4000 વોટ શક્તિનું અલ્ટ્રાસાઉન્ડ)
- UIP6000hdT (6000 વોટ શક્તિનું અલ્ટ્રાસાઉન્ડ)
- UIP16000hdT (16,000 વોટ શક્તિનું અલ્ટ્રાસાઉન્ડ)
બધા Hielscher સોનિકેટર્સ પ્રક્રિયાના તમામ મહત્વપૂર્ણ પરિમાણો પર ચોક્કસ નિયંત્રણની સુવિધા આપે છે, અને અલ્ટ્રાસોનિક વિક્ષેપન તકનીક ગ્રાફીનની રાસાયણિક અને સ્ફટિકીય સંરચનાઓને નુકસાન થતું અટકાવે છે – પરિણામે મૂળ સ્વરૂપ જાળવતી, ખામીરહિત ગ્રાફીન પતરીઓ મળે છે.
Hielscher ના શક્તિશાળી અલ્ટ્રાસોનિકેટર્સ ગ્રાફીન અને ગ્રેફાઇટ પર મોટા જથ્થામાં પ્રક્રિયા કરવા સક્ષમ છે, ઉદાહરણ તરીકે પ્રવાહી તબક્કામાં સ્તરવિચ્છેદન અને ગ્રાફીન વિક્ષેપન માટે. પ્રક્રિયાના પરિમાણો પરનું ચોક્કસ નિયંત્રણ અલ્ટ્રાસોનિક પ્રક્રિયાઓને બેન્ચટોપ સ્તરથી સંપૂર્ણ વ્યાવસાયિક ઉત્પાદન સુધી સરળતાથી વિસ્તૃત કરવાની સુવિધા આપે છે.
અલ્ટ્રાસોનિક રીતે સ્તરવિચ્છેદિત, આશરે 3–4 સ્તરો અને આશરે 1μm કદ ધરાવતા થોડાં સ્તરોવાળા ગ્રાફીનને ઓછામાં ઓછી 63 mg/mL સાંદ્રતાએ વિક્ષેપિત અથવા ફરીથી વિક્ષેપિત કરી શકાય છે.
(b) X3000 અને (c) X8000 પર ગ્રાફીન નેનો પ્લેટલેટ્સની SEM છબીઓ
(અભ્યાસ અને છબીઓ: ©Alizadeh et al., 2018)
- ઉચ્ચ ગુણવત્તાવાળું ગ્રાફીન
- ઊંચી પ્રક્રિયા ક્ષમતા / ઊંચી ઉત્પાદન ઉપજ
- એકસરખું વિક્ષેપન
- ઊંચી સાંદ્રતા
- ઊંચી શ્યાનતા
- ઝડપી પ્રક્રિયા
- ઓછો ખર્ચ
- અત્યંત કાર્યક્ષમ
- પર્યાવરણને અનુકૂળ
ગ્રાફીન વિક્ષેપણો માટે 7kW અલ્ટ્રાસોનિક રિએક્ટર
ગ્રાફીન માટે અલ્ટ્રાસોનિક સમાનાંગીકારકો અને વિક્ષેપક
Hielscher Ultrasonics જથ્થાબંધ સ્તરિત ગ્રાફીન અને ગ્રેફાઇટનું સ્તરવિચ્છેદન કરીને અને તેમને વિખેરીને એકસ્તરીય, દ્વિસ્તરીય અને થોડાં સ્તરોવાળું ગ્રાફીન બનાવવા માટે ઉચ્ચ શક્તિવાળી અલ્ટ્રાસોનિક પ્રણાલીઓ પૂરી પાડે છે. તેમના વિશ્વસનીય અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોસેસરો અને અદ્યતન રિએક્ટરો ચોક્કસ પ્રક્રિયા લક્ષ્યો હાંસલ કરવા માટે જરૂરી શક્તિ અને ચોકસાઈભર્યું નિયંત્રણ પૂરાં પાડે છે.
પ્રક્રિયાના સૌથી આવશ્યક પરિમાણોમાંનું એક અલ્ટ્રાસોનિક કંપનવિસ્તાર છે, જે અલ્ટ્રાસોનિક હોર્ન પર થતું કંપનજન્ય વિસ્થાપન છે. Hielscher ઔદ્યોગિક અલ્ટ્રાસોનિકેટરો અત્યંત ઊંચા કંપનવિસ્તાર આપવા માટે રચાયેલાં છે અને 200µm સુધીના કંપનવિસ્તાર પર સતત કાર્ય કરી શકે છે. તેનાથી પણ ઊંચા કંપનવિસ્તાર માટે જરૂરિયાત મુજબ બનાવેલા અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોબ ઉપલબ્ધ છે. તમામ Hielscher સોનિકેટરોના પ્રક્રિયા પરિમાણોને જરૂરી પ્રક્રિયા પરિસ્થિતિઓ અનુસાર ચોકસાઈથી ગોઠવી શકાય છે અને બિલ્ટ-ઇન સૉફ્ટવેર દ્વારા તેમનું નિરીક્ષણ કરી શકાય છે, જેનાથી ઉચ્ચ વિશ્વસનીયતા, સાતત્યપૂર્ણ ગુણવત્તા અને પુનરુત્પાદિત કરી શકાય તેવા પરિણામો સુનિશ્ચિત થાય છે. Hielscher સોનિકેટરોની મજબૂત રચના કઠિન પરિસ્થિતિઓમાં 24/7 કાર્ય માટે બનાવવામાં આવી છે, જેના કારણે એકસ્તરીય અને થોડાં સ્તરોવાળી ગ્રાફીન નેનોશીટોના મોટા પાયે ઉત્પાદન માટે સોનિકેશન પસંદગીની ટેક્નોલોજી બને છે.
Hielscher વિવિધ કદ અને ભૂમિતિ ધરાવતા સોનોટ્રોડ અને રિએક્ટરો સહિત અલ્ટ્રાસોનિકેટરો અને સહાયક ઉપકરણોની વિશાળ શ્રેણી પૂરી પાડે છે. આના દ્વારા સર્વોચ્ચ ગુણવત્તા હાંસલ કરવા માટે શ્રેષ્ઠ પ્રતિક્રિયા પરિસ્થિતિઓ અને પરિબળો, જેમ કે અભિકર્મકો, પ્રતિ એકમ ઘનફળે અપાતી અલ્ટ્રાસોનિક ઊર્જા, દબાણ, તાપમાન અને પ્રવાહ દર પસંદ કરી શકાય છે. તેમના અલ્ટ્રાસોનિક રિએક્ટરોમાં કેટલાંક સો barg સુધીનું દબાણ લાગુ કરી શકાય છે, જેથી અત્યંત શ્યાન પેસ્ટનું (2,50,000 સેન્ટિપોઇઝ સુધી) સોનિકેશન શક્ય બને છે.
આ ક્ષમતાઓ અલ્ટ્રાસોનિક સ્તરવિયોજન, સ્તરવિચ્છેદન અને વિખેરણને પરંપરાગત ગ્રાઇન્ડિંગ અને મિલિંગ તકનીકો કરતાં ચડિયાતાં બનાવે છે.
Hielscher સોનિકેટરો બજારમાં ઉપલબ્ધ સૌથી પરિષ્કૃત અલ્ટ્રાસોનિક હોમોજનાઇઝરો છે. Hielscher સોનિકેટરો સાથે મળતા અસંખ્ય લાભોનો લાભ લો!
સોનિકેટર UP100H નો ઉપયોગ કરીને ગ્રાફીન નેનોપ્લેટલેટોના અલ્ટ્રાસોનિક સંશ્લેષણને દર્શાવતું આલેખચિત્ર
(અભ્યાસ અને આલેખચિત્ર: Ghanem and Rehim, 2018)
ગ્રાફીન માટે Hielscher સોનિકેટરો:
- ઉચ્ચ શક્તિવાળું અલ્ટ્રાસાઉન્ડ
- ઊંચાં કર્તન બળો
- ઊંચાં દબાણ લાગુ કરી શકાય છે
- ચોકસાઈભર્યું નિયંત્રણ
- અવરોધ વિના પાયાવૃદ્ધિની ક્ષમતા (રેખીય)
- બેચ અને પ્રવાહ-મારફતે પ્રક્રિયા
- પુનરુત્પાદિત કરી શકાય તેવા પરિણામો
- વિશ્વસનીયતા
- મજબૂતાઈ
- ઉચ્ચ ઊર્જા કાર્યક્ષમતા
જાણવા યોગ્ય તથ્યો
ગ્રાફીન શું છે?
ગ્રાફીન કાર્બનનું એક પરમાણુ જેટલી જાડાઈ ધરાવતું સ્તર છે, જેને ગ્રાફીનની એકસ્તરીય અથવા 2D રચના તરીકે વર્ણવી શકાય છે (એકસ્તરીય ગ્રાફીન = SLG). ગ્રાફીન અસાધારણ રીતે મોટું વિશિષ્ટ સપાટી ક્ષેત્રફળ અને ચડિયાતા યાંત્રિક ગુણધર્મો (1 TPa નો યંગનો સ્થિતિસ્થાપકતા ગુણાંક અને 130 GPa નું આંતરિક સામર્થ્ય) ધરાવે છે, ઉત્તમ ઇલેક્ટ્રોનિક અને ઉષ્મીય વાહકતા, વિદ્યુતભાર વાહકોની ગતિશીલતા તથા પારદર્શિતા પ્રદાન કરે છે અને વાયુઓ માટે અભેદ્ય છે. આ પદાર્થગત લાક્ષણિકતાઓને કારણે, ગ્રાફીનનો ઉપયોગ સંમિશ્ર પદાર્થોને તેનું સામર્થ્ય, વાહકતા વગેરે આપવા માટે પ્રબલનકારી ઉમેરક તરીકે થાય છે. ગ્રાફીનની લાક્ષણિકતાઓને અન્ય પદાર્થો સાથે સંયોજિત કરવા માટે, ગ્રાફીનને સંયોજનમાં વિખેરવું જરૂરી છે અથવા તેને આધારસ્તર પર પાતળી ફિલ્મના આવરણ તરીકે લગાવવામાં આવે છે.
ગ્રાફીન નેનોશીટોને વિખેરવા માટે પ્રવાહી પ્રાવસ્થા તરીકે વારંવાર વપરાતા સામાન્ય દ્રાવકોમાં ડાઇમિથાઇલ સલ્ફોક્સાઇડ (DMSO) , N,N-ડાઇમિથાઇલફોર્મામાઇડ (DMF), N-મિથાઇલ-2-પાયરોલિડોન (NMP), ટેટ્રામિથાઇલયુરિયા (TMU, ટેટ્રાહાઇડ્રોફ્યુરાન (THF), propylene carbonateacetone (PC), ઇથેનોલ અને ફોર્મામાઇડનો સમાવેશ થાય છે.
શું ગ્રાફીનને પાણીમાં વિખેરી શકાય છે?
હા, ગ્રાફીનનું એકત્રીકરણ અટકાવવા અને વિખેરણની સ્થિરતા જાળવવા માટે પૃષ્ઠસક્રિય પદાર્થો, પોલિમરો અથવા અન્ય સ્થિરતાકારક પદાર્થોનો ઉપયોગ કરીને તેને પાણીમાં વિખેરી શકાય છે. પ્રોબ પ્રકારના સોનિકેટરો જેવાં વિશ્વસનીય વિખેરણ ઉપકરણો પણ અલ્ટ્રાસોનિક ઊર્જાનો ઉપયોગ કરીને કણસમૂહોને તોડવામાં અને ગ્રાફીનના કણોનું કદ ઘટાડવામાં મહત્વપૂર્ણ ભૂમિકા ભજવે છે, જે પ્રવાહી માધ્યમમાં વધુ સમાન અને સ્થિર વિખેરણને પ્રોત્સાહન આપે છે.
શું ગ્રાફીન ઓક્સાઇડ પાણીમાં ઓગળી શકે છે?
હા, ગ્રાફીન ઓક્સાઇડ તેના ઑક્સિજન ધરાવતા ક્રિયાશીલ સમૂહોને કારણે પાણીમાં ઓગળી શકે છે; આ સમૂહો તેની જલસ્નેહિતા વધારે છે અને તેને સ્થિર જલીય વિખેરણો બનાવવા દે છે.
ગ્રાફીનને વિખેરવા માટે શ્રેષ્ઠ દ્રાવક કયું છે?
ગ્રાફીનને વિખેરવા માટેનું શ્રેષ્ઠ દ્રાવક N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) છે, કારણ કે તેની ઉચ્ચ ધ્રુવીયતા અને ગ્રાફીનની શીટ્સને સ્થિર કરવાની ક્ષમતાને કારણે એકસમાન અને સ્થિર વિખેરણ બને છે.
ગ્રાફીન પાણીમાં અદ્રાવ્ય કેમ છે?
ગ્રાફીનમાં પાણીના અણુઓ સાથે આંતરક્રિયા કરી શકે તેવા કાર્યાત્મક સમૂહોનો અભાવ હોવાથી તે પાણીમાં અદ્રાવ્ય છે. આ અભાવ તેને જળવિરોધી બનાવે છે અને ગ્રાફીનની શીટ્સ વચ્ચેના પ્રબળ વાન ડર વાલ્સ બળોને કારણે તે એકત્રીકરણ તરફ વલણ ધરાવે છે.
સંયુક્ત પદાર્થોમાં ગ્રાફીનનો ઉપયોગ શા માટે થાય છે?
ગ્રાફીન એક પરમાણુ જેટલી જાડાઈ ધરાવતો સૌથી પાતળો, આશરે 0.77 mg પ્રતિ 1m2 વજન ધરાવતો સૌથી હલકો, અને 15,00,00,000 psi ની તાણ કઠોરતા (સ્ટીલ કરતાં 100–300 ગણો વધુ મજબૂત) તથા 1,30,00,00,00,000 Pascals ની તાણ મજબૂતાઈ સાથે જાણીતો સૌથી મજબૂત પદાર્થ છે.
વધુમાં, ગ્રાફીન શ્રેષ્ઠ ઉષ્માવાહક (ઓરડાના તાપમાને (4.84±0.44) × 103 થી (5.30±0.48) × 103 W·m-11·K-1) અને શ્રેષ્ઠ વિદ્યુત વાહક (ઇલેક્ટ્રોનની ગતિશીલતા 15,000 cm2·V-1·s-1 કરતાં વધુ છે) છે.
ગ્રાફીનની બીજી મહત્વપૂર્ણ વિશેષતા તેનો પ્રકાશીય ગુણધર્મ છે, જેમાં તે સફેદ પ્રકાશના πα≈2.3% જેટલા પ્રકાશનું શોષણ કરે છે અને પારદર્શક દેખાવ ધરાવે છે.
મેટ્રિક્સમાં ગ્રાફીનનો સમાવેશ કરવાથી આ અસાધારણ ભૌતિક ગુણધર્મો પરિણામી સંયુક્ત પદાર્થમાં સ્થાનાંતરિત થઈ શકે છે, જે અનન્ય કાર્યક્ષમતાઓ પ્રદાન કરે છે. આવા ગ્રાફીનથી પ્રબલિત સંયુક્ત પદાર્થો સામગ્રીના વિકાસ અને ઔદ્યોગિક ઉપયોગો માટે નવી શક્યતાઓ પ્રદાન કરે છે. તેના ગુણધર્મોને કારણે, ઉચ્ચ કાર્યક્ષમતાવાળી બેટરીઓ, સુપરકેપેસિટર્સ, વાહક શાહીઓ, કોટિંગ્સ, ફોટોવોલ્ટેઇક સિસ્ટમ્સ અને ઇલેક્ટ્રોનિક ઉપકરણોના ઉત્પાદનમાં ગ્રાફીન અને ગ્રાફીનના સંયુક્ત પદાર્થોનો ઉપયોગ પહેલેથી જ વ્યાપક છે.
સંયુક્ત પદાર્થોના મેટ્રિક્સમાં ગ્રાફીનની નેનોશીટ્સને એકસમાન રીતે વિતરિત કરવા માટે વાન ડર વાલ્સ બળોને વટાવવા જરૂરી ઉચ્ચ કર્તન બળો Hielscher સોનિકેટર્સ પ્રદાન કરે છે. UIP2000hdT અથવા UIP16000 જેવા અલ્ટ્રાસોનિક ડિસ્પર્સર્સનો ઉપયોગ ગ્રાફીન અને ગ્રાફીન ઓક્સાઇડથી પ્રબલિત નેનોસંયુક્ત પદાર્થો બનાવવા માટે થાય છે.
સાહિત્ય/સંદર્ભો
- 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 ઉચ્ચ કાર્યક્ષમતાવાળા અલ્ટ્રાસોનિક હોમોજેનાઇઝર્સનું ઉત્પાદન પ્રયોગશાળાના કદથી લઈને ઔદ્યોગિક કદ સુધી કરે છે.