קילוף אולטרסוני של גרפן הניתן לפיזור במים
- ניתן לייצר במהירות ננו־יריעות גרפן חד־שכבתיות ודו־שכבתיות באמצעות קילוף אולטרסוני, בתפוקה גבוהה ובעלות נמוכה.
- ניתן לבצע פונקציונליזציה של גרפן שקולף באולטרסאונד באמצעות ביופולימרים כדי לקבל גרפן הניתן לפיזור במים.
- באמצעות קוויטציה אולטרסונית, ניתן להמשיך לעבד את הגרפן שסונתז לקבלת דיספרסיה יציבה על בסיס מים.
קילוף אולטרסוני של גרפן באיכות גבוהה
סוניקציה היא שיטה אמינה להפקת שכבות גרפן (גרפן חד־שכבתי, דו־שכבתי ובעל שכבות מעטות) מפתיתי גרפיט או מחלקיקי גרפיט. בעוד שטכניקות קילוף נפוצות אחרות, כגון טחנות כדורים, טחנות גלילים או מערבלים בעלי כוחות גזירה גבוהים, קשורות לאיכות נמוכה ולשימוש בריאגנטים ובממסים אגרסיביים, שיטת הקילוף האולטרסוני מצטיינת בתוצר באיכות גבוהה, בכושר עיבוד גבוה ובתנאי עיבוד מתונים.
קוויטציה אולטרסונית יוצרת כוחות גזירה עזים, המפרידים את שכבות הגרפיט הערומות לגרפן חד־שכבתי, דו־שכבתי ובעל שכבות מעטות, ללא פגמים.
יריעות גרפן הניתנות לפיזור במים באמצעות סוניקציה
סוניקציה היא הליך יעיל בעל תוצאות הדירות להתרת סבכים של ננו־צינוריות פחמן במים או בממסים אורגניים.[/caption]בתנאים רגילים, קשה לפזר גרפן במים, והוא יוצר אגרגטים ואגלומרטים כאשר מפזרים אותו בתווך מימי. מכיוון שלמערכות מימיות יתרונות משמעותיים בהיותן זולות, לא רעילות וידידותיות לסביבה, מערכות גרפן על בסיס מים אטרקטיביות מאוד ליצרני גרפן ולתעשיות המשתמשות בו בהמשך שרשרת הייצור.
כדי לקבל ננו־יריעות גרפן הניתנות לפיזור במים, משנים את הגרפן שקולף באולטרסאונד באמצעות רב־סוכרים / ביופולימרים כגון פולולן, כיטוזן, אלגינט, ג'לטין או גומי ערבי.
- גרפן באיכות גבוהה
- נצולת גבוהה
- דיספרסיה על בסיס מים
- ריכוז גבוה
- יעילות גבוהה
- תהליך מהיר
- עלות נמוכה
- תפוקה גבוהה
- ידידותיות לסביבה
כור אולטרסוני עם מכשירי אולטרסאונד מסוג גשושית לקילוף גרפן בקנה מידה תעשייתי
פרוטוקול לקילוף ישיר של גרפיט באמצעות אולטרסאונד
פולולן לא־יוני ואלגינט אניוני (1.0 g) הומסו בנפרד ב־20 ml של מים מזוקקים, ואילו כיטוזן קטיוני (0.4 g) הומס ב־20 ml של מים מזוקקים עם חומצה אצטית בריכוז 1 wt%. אבקת גרפיט פוזרה בתמיסות הביופולימרים המימיות וטופלה באמצעות מכשיר אולטרסאונד מסוג גשושית UP200S (הספק מרבי 200 W, תדירות 24 kHz, Hielscher Ultrasonics, גרמניה), המצויד בסונוטרודה מטיטניום (קצה מיקרו S3, קוטר קצה 3 mm, אמפליטודה מרבית 210µm, צפיפות הספק אקוסטי או עוצמה ליחידת שטח 460 W cm-2), בתנאים הבאים: הגדרת מחזור של 0.5 ואמפליטודה של 50%, למשך 10, 20, 30 ו־60 min, בהתאמה. התוצאות הטובות ביותר התקבלו לאחר סוניקציה של 30min. הסוניקציה בוצעה בהספק של 16.25 W במשך 30 דקות, עם צריכת אנרגיה (תפוקת אנרגיה ליחידת נפח) של 731 Ws ml-1.
לאחר מכן, התערובות עברו צנטריפוגה ב־1500 rpm במשך 60 min כדי להסיר חלקיקי גרפיט שלא קולפו, ואז נשטפו 5 פעמים ועברו שוב צנטריפוגה ב־5000 rpm במשך 20 min להסרת עודפי ביופולימרים. התמיסות האפורות הכהות שהתקבלו יובשו בוואקום ב־40ºC עד שלא נרשם עוד אובדן מסה. אבקות הפולימר–גרפן שהתקבלו פוזרו מחדש במים (1 mg ml-1 לפולולן ולכיטוזן; 0.18 mg ml-1 לאלגינט) לצורך אפיון. יריעות גרפן שהתקבלו בסוניקציה בסיוע פולולן, אלגינט וכיטוזן סומנו כ־pull-G, alg-G ו־chit-G, בהתאמה.
מבין שלוש המערכות, פולולן וכיטוזן היו יעילים יותר מאלגינט בקילוף גרפיט. שיטה זו הניבה יריעות גרפן מקולפות חד־שכבתיות, דו־שכבתיות ובעלות שכבות מעטות, עם רמה נמוכה בלבד של פגמים צדדיים (בשוליים). ספיחת הביופולימרים על פני הגרפן מעניקה לדיספרסיה המימית יציבות ממושכת (יותר מ־6 חודשים).
(ראו Unalan et al. 2015)
רצף פריימים שצולם במהירות גבוהה (מ־a עד f), המדגים קילוף סונו־מכני של פתית גרפיט במים באמצעות UP200S, מכשיר אולטרסאונד בהספק 200W עם סונוטרודה של 3-mm. החצים מראים את מקום הפיצול (הקילוף), שאליו חודרות בועות קוויטציה.
(מחקר ותמונות: © Tyurnina et al. 2020
תמונות TEM של pull-G עבור: (a) 10 min; (b) 20 min; (c) 30 min; (d) 60 min; (e) chit-G למשך 30 min; (f) alg-G למשך 30 min. (Unalan et al. 2015)
מכשירי אולטרסאונד לקילוף גרפן
מעבדים אולטרסוניים רבי־עוצמה של Hielscher משמשים ברחבי העולם לקילוף ולפיזור מוצלחים של גרפיט וגרפן. המפזרים האולטרסוניים שלנו זמינים החל ממכשירי מעבדה ומכשירים שולחניים ועד ליחידות ייצור תעשייתיות מלאות. לצד עמידות, פעולה 24/7 ודרישות תחזוקה נמוכות, מכשירי האולטרסאונד של Hielscher מצטיינים בקלות עיבוד רבה וביכולת הגדלת קנה מידה באופן ליניארי.
ניתן לבדוק תהליכים ולבצע להם אופטימיזציה בקלות במעבדה. לאחר מכן ניתן להעביר את כל תוצאות התהליך לרמת ייצור מסחרית באמצעות הגדלת קנה מידה ליניארית לחלוטין. הדבר הופך את הסוניקציה לשיטת ייצור אפקטיבית ויעילה להפקת כמויות גדולות של יריעות גרפן באיכות גבוהה.
המעבדים האולטרסוניים התעשייתיים של Hielscher Ultrasonics יכולים לספק אמפליטודות גבוהות מאוד. ניתן להפעיל בקלות וברציפות אמפליטודות של עד 200µm בפעולה 24/7. לאמפליטודות גבוהות אף יותר, זמינות סונוטרודות אולטרסוניות מותאמות אישית. כורים אולטרסוניים תואמים מבטיחים יכולת לייצור המוני אמין ובטוח של ננו־יריעות גרפן באיכות גבוהה, וכן של דיספרסיות יציבות של ננו־יריעות.
עמידותו של הציוד האולטרסוני של Hielscher מאפשרת פעולה 24/7 בעומסי עבודה כבדים ובסביבות תובעניות.
הטבלה שלהלן נותנת מושג על כושר העיבוד המשוער של מכשירי האולטרסאונד שלנו:
| נפח אצווה | ספיקת זרימה | מכשירים מומלצים |
|---|---|---|
| 10 עד 2000mL | 20 עד 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 עד 20L | 0.2 עד 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 עד 100L | 2 עד 10L/min | UIP4000 |
| n.a. | 10 עד 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | גדולה יותר | מערך של UIP16000 |
צרו קשר! / שאלו אותנו!
מנגנון הקילוף האולטרסוני של ננו־יריעות 2D.
(מחקר ותרשים: Tyurnina et al., 2020)
עובדות שכדאי לדעת
גרפן
גרפן הוא שכבה יחידה של אטומי פחמן הקשורים בקשרי sp2. לגרפן מאפייני חומר ייחודיים, כגון שטח פנים סגולי גדול במיוחד (2620 m2 g-1), תכונות מכניות מעולות עם מודול יאנג של 1 TPa וחוזק אינטרינזי של 130 GPa, מוליכות אלקטרונית גבוהה ביותר (ניידות אלקטרונים בטמפרטורת החדר של 2.5 × 105 cm2 V-1 s-1), מוליכות תרמית גבוהה מאוד (מעל 3000 W m K-1), ואלה הן רק התכונות החשובות ביותר. בשל תכונות החומר המעולות שלו, נעשה בגרפן שימוש נרחב בפיתוח ובייצור של סוללות בעלות ביצועים גבוהים, תאי דלק, תאים סולאריים, קבלי־על, אמצעים לאגירת מימן, מגנים אלקטרומגנטיים והתקנים אלקטרוניים. נוסף על כך, גרפן משולב בחומרים ננו־מרוכבים ובחומרים מרוכבים רבים כתוסף מחזק, למשל בפולימרים, בקרמיקה ובמטריצות מתכתיות. בשל מוליכותו הגבוהה, גרפן הוא רכיב חשוב בצבעים ובדיו מוליכים.
הכנה מהירה ובטוחה של גרפן נטול פגמים באמצעות אולטרסאונד בכמויות גדולות ובעלויות נמוכות מאפשרת להרחיב את יישומי הגרפן לתעשיות רבות יותר ויותר.
ספרות/מקורות
- 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.
