פיזור אולטרסוני של גרפן

כדי לשלב גרפן בחומרים מרוכבים, חיוני לפזר אותו או לקלף אותו לננו־יריעות נפרדות באופן אחיד בכל הפורמולציה. ככל שאגלומרטי הגרפן מפורקים ביסודיות רבה יותר, כך ניתן לנצל טוב יותר את תכונות החומר יוצאות הדופן שלו. פיזור אולטרסוני מציע התפלגות חלקיקים ויציבות דיספרסיה מעולות, גם בריכוזים גבוהים ובצמיגויות גבוהות. שיטה זו מספקת איכות פיזור יוצאת דופן, העולה בהרבה על זו של טכניקות ערבוב קונבנציונליות.

פיזור אולטרסוני של גרפן

כדי להקנות לחומרים מרוכבים את התכונות יוצאות הדופן של הגרפן, כגון החוזק שלו, יש לפזר את הגרפן באופן אחיד בתוך מטריצה או ליישם אותו כציפוי שכבה דקה על מצע. הגורמים המרכזיים המשפיעים על תכונות החומר המתקבל כוללים אגלומרציה, שקיעה והפיזור בתוך המטריצה או התפלגות החלקיקים על המצע.
בשל אופיו ההידרופובי של הגרפן, יצירת דיספרסיה יציבה בריכוז גבוה ללא חומרים פעילי שטח או חומרי פיזור היא משימה מאתגרת. התגברות על כוחות ואן דר ואלס דורשת כוחות גזירה חזקים, שניתן ליצור ביעילות באמצעות קוויטציה אולטרסונית. שיטה זו היא המתקדמת ביותר להכנת דיספרסיות יציבות.

 
באמצעות מכשיר פיזור אולטרסוני, כגון מכשיר הסוניקציה UIP2000hdT בהספק 2kW, מכשיר הסוניקציה UIP4000hdT בהספק 4kW, מכשיר הסוניקציה UIP6000hdT בהספק 6kW או מכשיר הסוניקציה UIP16000hdT בהספק 16kW, ניתן להכין בקלות גרפן בעל מוליכות חשמלית גבוהה (712 S·m-1), כושר פיזור טוב וריכוז גבוה. סוניקציה מאפשרת גם להכין דיספרסיית גרפן יציבה בטמפרטורת תהליך נמוכה של כ־65°C.
 
מידע נוסף ופרטים טכניים על מכשירי הסוניקציה התעשייתיים של Hielscher המצוידים בגשושית לקילוף ולפיזור גרפן זמינים כאן:

• UIP1000hdT (אולטרסאונד בהספק 1000 ואט)
• UIP2000hdT (אולטרסאונד בהספק 2000 ואט)
• UIP4000hdT (אולטרסאונד בהספק 4000 ואט)
• UIP6000hdT (אולטרסאונד בהספק 6000 ואט)
• UIP16000hdT (אולטרסאונד בהספק 16,000 ואט)

 
כל מכשירי הסוניקציה של Hielscher מאפשרים שליטה מדויקת בכל פרמטרי התהליך החשובים. טכנולוגיית הפיזור האולטרסוני מונעת פגיעה במבנים הכימיים והגבישיים של הגרפן – והתוצאה היא פתיתי גרפן במצבם המקורי, ללא פגמים.
מכשירי האולטרסאונד רבי־העוצמה של Hielscher מסוגלים לעבד גרפן וגרפיט בנפחים גדולים, למשל לצורך קילוף בפאזה נוזלית ופיזור גרפן. השליטה המדויקת בפרמטרי התהליך מאפשרת להגדיל באופן רציף את קנה המידה של תהליכים אולטרסוניים ממערכות שולחניות לייצור מסחרי מלא.
גרפן בעל מספר שכבות מועט שקולף באמצעות אולטרסאונד, ובו כ־3–4 שכבות וגודלו כ־1μm, ניתן לפיזור או לפיזור מחדש בריכוזים של לפחות 63 mg/mL.
 

תמונות SEM של ננו־טסיות גרפן בהגדלות (b) X3000 ו־(c) X8000
(מחקר ותמונות: ©Alizadeh et al., 2018)

הומוגנייזרים אולטרסוניים ומכשיר פיזור אולטרסוני לגרפן

Hielscher Ultrasonics מספקת מערכות אולטרסוניות בהספק גבוה לקילוף ולפיזור של גרפן וגרפיט גושיים בעלי מבנה שכבתי, לקבלת גרפן חד־שכבתי, דו־שכבתי ומעט־שכבתי. המעבדים האולטרסוניים האמינים והכורים המתקדמים שלה מספקים את ההספק הדרוש ואת הבקרה המדויקת להשגת יעדי תהליך מוגדרים.

אחד מפרמטרי התהליך החיוניים ביותר הוא המשרעת האולטרסונית, שהיא ההעתק התנודתי בקרן האולטרסונית. המכשירים האולטרסוניים התעשייתיים של Hielscher מתוכננים לספק משרעות גבוהות מאוד, תוך פעולה רציפה במשרעות של עד 200µm. למשרעות גבוהות אף יותר, זמינים גשושים אולטרסוניים מותאמים אישית. ניתן לכוונן במדויק את פרמטרי התהליך של כל מכשירי הסוניקציה של Hielscher לתנאי התהליך הנדרשים ולנטר אותם באמצעות תוכנה מובנית, וכך להבטיח אמינות גבוהה, איכות עקבית ותוצאות הניתנות לשחזור. המבנה העמיד של מכשירי הסוניקציה של Hielscher מיועד לפעולה 24/7 בסביבות תובעניות, והופך את הסוניקציה לטכנולוגיה המועדפת לייצור בקנה מידה גדול של ננו־יריעות גרפן חד־שכבתיות ומעט־שכבתיות.

Hielscher מציעה מגוון רחב של מכשירים אולטרסוניים ואביזרים, לרבות סונוטרודות וכורים בגדלים ובגאומטריות שונים. הדבר מאפשר לבחור תנאי תגובה וגורמים מיטביים, כגון מגיבים, כמות האנרגיה האולטרסונית המושקעת ליחידת נפח, לחץ, טמפרטורה וספיקת זרימה, להשגת האיכות הגבוהה ביותר. ניתן להפעיל את הכורים האולטרסוניים שלה בלחצים של עד כמה מאות barg, וכך מתאפשרת סוניקציה של משחות בעלות צמיגות גבוהה מאוד (עד 250,000 סנטיפואז).

יכולות אלו מקנות להפרדת שכבות, לקילוף ולפיזור באמצעות אולטרסאונד יתרון על פני טכניקות השחיקה והטחינה המקובלות.
 

מכשירי הסוניקציה של Hielscher הם ההומוגנייזרים האולטרסוניים המתוחכמים ביותר בשוק. נצלו את היתרונות הרבים שמציעים מכשירי הסוניקציה של Hielscher!