Գրաֆենի օքսիդ – ուլտրաձայնային շերտազատում և դիսպերսում

Ուլտրաձայնային շերտազատումը լայնորեն կիրառվող մեթոդ է գրաֆենի օքսիդ ստանալու համար՝ գրաֆիտի օքսիդը բարակ, միաշերտ կամ սակավաշերտ գրաֆենային թերթերի բաժանելով։ Hielscher ուլտրաձայնային սարքերն առաջացնում են ինտենսիվ ակուստիկ կավիտացիա, որի ընթացքում էներգիայի բարձր խտությամբ ուլտրաձայնային ալիքները հեղուկ միջավայրում ստեղծում են բարձր էներգիայով միկրոպղպջակներ։ Փլուզվող այս պղպջակներն առաջացնում են սահքի ուժեր, որոնք բաժանում են գրաֆիտի օքսիդի շերտերը՝ արդյունավետորեն շերտազատելով դրանք գրաֆենի օքսիդի նանոթերթերի։ Օգտվեք բարձր արդյունավետությամբ ուլտրաձայնային տեխնոլոգիայից՝ գրաֆենի օքսիդի վրա հիմնված ձեր կիրառությունը նոր մակարդակի հասցնելու համար։

Գրաֆենի օքսիդի ուլտրաձայնային շերտազատում

Գրաֆենի օքսիդը ջրալույծ է, ամֆիֆիլ, ոչ թունավոր, կենսաքայքայվող և կարող է հեշտությամբ դիսպերսվել՝ առաջացնելով կայուն կոլոիդներ։ Ուլտրաձայնային շերտազատումն ու դիսպերսումը շատ արդյունավետ, արագ և ծախսարդյունավետ մեթոդ են արդյունաբերական մասշտաբով գրաֆենի օքսիդի սինթեզի, դիսպերսման և ֆունկցիոնալացման համար։ Հետագա մշակման փուլերում ուլտրաձայնային դիսպերսատորներով ստացվում են բարձր արդյունավետությամբ գրաֆենի օքսիդ–պոլիմեր կոմպոզիտներ։

Ուլտրաձայնային շերտազատման առավելությունները

Ուլտրաձայնային շերտազատումն ունի մի շարք առավելություններ, այդ թվում՝ պարզություն, արտադրության մասշտաբը մեծացնելու հնարավորություն և էկոլոգիական բարենպաստություն, քանի որ այն սովորաբար չի պահանջում քիմիապես ագրեսիվ նյութեր կամ բարդ մշակում։ Բացի այդ, այն հնարավորություն է տալիս ճշգրիտ վերահսկելու գրաֆենի օքսիդի նանոթերթերի չափերն ու հաստությունը, ինչը վճռորոշ է տարբեր կիրառություններում դրանց հատկությունները կարգավորելու համար։

Տեսանյութը ցուցադրում է գրաֆիտի ուլտրաձայնային խառնումն ու դիսպերսումը 250mL էպօքսիդային խեժում (Toolcraft L)՝ ուլտրաձայնային հոմոգենացուցիչի միջոցով (UP400St, Hielscher Ultrasonics)։ Hielscher Ultrasonics ընկերությունն արտադրում է սարքավորումներ՝ լաբորատորիայում կամ մեծածավալ արտադրական գործընթացներում գրաֆիտը, գրաֆենը, ածխածնային նանոխողովակները, նանոլարերը կամ լցանյութերը դիսպերսելու համար։ Տիպիկ կիրառություններն են նանոնյութերի և միկրոնյութերի դիսպերսումը ֆունկցիոնալացման ընթացքում կամ դրանց դիսպերսումը խեժերում կամ պոլիմերներում։

Արձանագրություն. գրաֆենի օքսիդի ուլտրաձայնային շերտազատում

Գրաֆենի օքսիդի (GO) նանոթերթերի չափերը վերահսկելու համար շերտազատման մեթոդն առանցքային գործոն է։ Գործընթացի ճշգրիտ վերահսկելի պարամետրերի շնորհիվ ուլտրաձայնային շերտազատումը բարձրորակ գրաֆենի և գրաֆենի օքսիդի արտադրության համար շերտերի բաժանման ամենալայն կիրառվող մեթոդն է։
Գրաֆիտի օքսիդից գրաֆենի օքսիդի ուլտրաձայնային շերտազատման համար առկա են տարբեր արձանագրություններ։ Ստորև ներկայացված է գրաֆենի օքսիդի ուլտրաձայնային շերտազատման արձանագրության օրինակ։
Գրաֆիտի օքսիդի փոշին խառնվում է KOH պարունակող ջրային լուծույթում, որի pH արժեքը 10 է։ Շերտազատման և հետագա դիսպերսման համար օգտագործվում է զոնդային տիպի UP200St (200W) ուլտրաձայնային սարքը։ Այնուհետև K+ իոնները միացվում են գրաֆենի բազալ հարթությանը՝ ծերացման գործընթաց հարուցելու համար։ Ծերացումն իրականացվում է պտտական գոլորշիացման պայմաններում (2 h)։ Ավելցուկային K+ իոնները հեռացնելու համար փոշին բազմիցս լվացվում և ցենտրիֆուգվում է։
Ստացված խառնուրդը ցենտրիֆուգվում և սառեցմամբ չորացվում է, այնպես որ նստվածքի ձևով անջատվում է գրաֆենի օքսիդի դիսպերսվող փոշի։
Գրաֆենի օքսիդի հաղորդիչ մածուկի պատրաստում. գրաֆենի օքսիդի փոշին կարող է ուլտրաձայնային մշակման պայմաններում դիսպերսվել դիմեթիլֆորմամիդում (DMF)՝ հաղորդիչ մածուկ ստանալու համար։ (Han et al.2014)

Ուլտրաձայնային շերտազատումը լայնորեն կիրառվում է գրաֆենի նանոթերթերի և գրաֆենի օքսիդի արտադրության համար։ Hielscher ուլտրաձայնային համակարգերն իրենց արդյունավետությունն են ապացուցում որպես գրաֆենի սինթեզի շատ արդյունավետ, ծախսարդյունավետ և արագ տեխնոլոգիա. դրանք կիրառվում են սուսպենզիայի մեծ հոսքերի մշակման և գրաֆենի զանգվածային արտադրության համար։
Նկարի աղբյուր՝ Potts J. R., Dreyer D. R., Bielawski Ch. W., Ruoff R.S (2011). Գրաֆենի հիմքով պոլիմերային նանոկոմպոզիտներ։ Polymer, հատոր 52, համար 1, 2011. 5–25։

Գրաֆենի օքսիդի ուլտրաձայնային շերտազատման մեխանիզմը
(Նկ.՝ Potts et al. 2011)

Գրաֆենի օքսիդի ուլտրաձայնային ֆունկցիոնալացում

Ուլտրաձայնային մշակումը հաջողությամբ կիրառվում է գրաֆենի օքսիդը (GO) պոլիմերների և կոմպոզիտների մեջ ներառելու համար։
Օրինակներ՝

գրաֆենի օքսիդ–TiO2 միկրոգնդային կոմպոզիտ
պոլիստիրոլ–մագնետիտ–գրաֆենի օքսիդ կոմպոզիտ (միջուկ–թաղանթ կառուցվածքով)
պոլիստիրոլի և վերականգնված գրաֆենի օքսիդի կոմպոզիտներ
պոլիանիլինի նանոմանրաթելերով պատված պոլիստիրոլ/գրաֆենի օքսիդ (PANI-PS/GO) միջուկ–թաղանթ կոմպոզիտ
միջշերտային տարածություններում ներդրված պոլիստիրոլով գրաֆենի օքսիդ
p-phenylenediamine-4vinylbenzen-polystyrene մոդիֆիկատորով ձևափոխված գրաֆենի օքսիդ

Ուլտրաձայնային շերտազատմամբ ստացված գրաֆենի օքսիդի կիրառությունները

Ուլտրաձայնային շերտազատմամբ ստացված գրաֆենի օքսիդը լայն կիրառություն ունի տարբեր ոլորտներում։ Էլեկտրոնիկայում այն օգտագործվում է ճկուն հաղորդիչ թաղանթներում և սենսորներում, իսկ էներգիայի կուտակման ոլորտում բարձրացնում է մարտկոցների և գերկոնդենսատորների արդյունավետությունը։ Գրաֆենի օքսիդի հակաբակտերիալ հատկություններն այն արժեքավոր են դարձնում կենսաբժշկական կիրառություններում, իսկ դրա մակերեսի մեծ մակերեսը և ֆունկցիոնալ խմբերը առավելություններ են տալիս կատալիզի և շրջակա միջավայրի վերականգնման գործընթացներում։ Ընդհանուր առմամբ, ուլտրաձայնային շերտազատումը նպաստում է առաջադեմ տեխնոլոգիաներում կիրառելու համար բարձրորակ գրաֆենի օքսիդի արդյունավետ արտադրությանը։

Սովորեք ստանալ բարձրորակ միաշերտ գրաֆեն՝ ուլտրաձայնային շերտազատմամբ, բարձր հզորության զոնդային ուլտրաձայնային սարքերով։ Ուլտրաձայնային մշակումը պարզ, արդյունավետ և մասշտաբավորվող մեթոդ է՝ բարձր ելքով և գերազանց որակի թերթիկներով գրաֆենի դիսպերսիաներ ստանալու համար։

Ուլտրաձայնային սարքեր գրաֆենի և գրաֆենի օքսիդի մշակման համար

Hielscher Ultrasonics ընկերությունն առաջարկում է բարձր հզորության ուլտրաձայնային համակարգեր գրաֆենի և գրաֆենի օքսիդի շերտազատման, դիսպերսման և մշակման համար։ Հուսալի ուլտրաձայնային պրոցեսորներն ու կատարելագործված ռեակտորներն ապահովում են ճշգրիտ վերահսկում՝ հնարավորություն տալով ուլտրաձայնային գործընթացները կարգավորելու ըստ ցանկալի նպատակների։
Վճռորոշ պարամետրերից մեկն ուլտրաձայնային ամպլիտուդն է, որը որոշում է ուլտրաձայնային զոնդի տատանողական ընդարձակումը և սեղմումը։ Hielscher արդյունաբերական ուլտրաձայնային սարքերն ապահովում են բարձր ամպլիտուդներ՝ մինչև 200µm, անընդհատ աշխատելով 24/7 ռեժիմով։ Էլ ավելի բարձր ամպլիտուդների համար առկա են անհատական պատվերով պատրաստվող ուլտրաձայնային զոնդեր։ Բոլոր պրոցեսորները կարող են ճշգրիտ կարգավորվել ըստ գործընթացի պայմանների և վերահսկվել ներկառուցված ծրագրային ապահովմամբ՝ ապահովելով հուսալիություն, կայուն որակ և վերարտադրելի արդյունքներ։
Hielscher ուլտրաձայնային սարքերն ամուր են և կարող են անընդհատ աշխատել ծանր շահագործման պայմաններում, ինչը ուլտրաձայնային մշակումը դարձնում է գրաֆենի, գրաֆենի օքսիդի և գրաֆիտային նյութերի լայնածավալ պատրաստման նախընտրելի արտադրական տեխնոլոգիան։
Ուլտրաձայնային սարքերի և օժանդակ պարագաների լայն տեսականին, ներառյալ տարբեր չափերի ու երկրաչափական ձևերի սոնոտրոդներն ու ռեակտորները, թույլ է տալիս ընտրել ռեակցիայի օպտիմալ պայմաններն ու գործոնները, օրինակ՝ ռեագենտները, ներմուծվող ուլտրաձայնային էներգիան, ճնշումը, ջերմաստիճանը և հոսքի ծավալային արագությունը՝ ամենաբարձր որակին հասնելու համար։ Hielscher ուլտրաձայնային ռեակտորներում ճնշումը կարող է նույնիսկ բարձրացվել մինչև մի քանի հարյուր barg՝ հնարավորություն տալով ուլտրաձայնային մշակման ենթարկելու բարձր մածուցիկությամբ մածուկներ, որոնց մածուցիկությունը գերազանցում է 250 000 սանտիպուազը։
Այս գործոնների շնորհիվ ուլտրաձայնային շերտաբաժանումն ու շերտազատումը գերազանցում են ավանդական մեթոդներին։

Գրաֆենի ուլտրաձայնային սինթեզի, դիսպերսման և ֆունկցիոնալացման մասին ավելին իմանալու համար սեղմեք այստեղ՝

Արժե իմանալ

Ուլտրաձայն և կավիտացիա. ինչպե՞ս է գրաֆիտը ուլտրաձայնային մշակմամբ շերտազատվում՝ վերածվելով գրաֆենի օքսիդի։

Գրաֆիտի օքսիդի (GrO) ուլտրաձայնային շերտազատումը հիմնված է ակուստիկ կավիտացիայով առաջացող սահքի մեծ ուժի վրա։ Ակուստիկ կավիտացիան առաջանում է բարձր ճնշման / ցածր ճնշման հերթագայվող ցիկլերի հետևանքով, որոնք ստեղծվում են հեղուկի մեջ հզոր ուլտրաձայնային ալիքների էներգիայի փոխանցմամբ։ Ցածր ճնշման ցիկլերի ընթացքում առաջանում են շատ փոքր խոռոչներ կամ վակուումային պղպջակներ, որոնք աճում են ցածր ճնշման հաջորդական ցիկլերի ընթացքում։ Երբ վակուումային պղպջակները հասնում են այնպիսի չափի, որ այլևս չեն կարող ավելի շատ էներգիա կլանել, դրանք բարձր ճնշման ցիկլի ընթացքում բուռն կերպով փլուզվում են։ Պղպջակների ներպայթյունի հետևանքով առաջանում են կավիտացիոն սահքի ուժեր և լարման ալիքներ, ծայրահեղ ջերմաստիճան՝ մինչև 6000K, սառեցման ծայրահեղ արագություններ՝ ավելի քան 10¹⁰K/s, շատ բարձր ճնշումներ՝ մինչև 2000atm, ճնշման ծայրահեղ տարբերություններ, ինչպես նաև հեղուկի շիթեր՝ մինչև 1000km/h (∼280m/s) արագությամբ։
Այս ինտենսիվ ուժերն ազդում են գրաֆիտի շերտակույտերի վրա, որոնք շերտաբաժանվում են՝ առաջացնելով միաշերտ կամ սակավաշերտ գրաֆենի օքսիդի և անաղարտ գրաֆենի նանոթերթեր։

Ի՞նչ է գրաֆենի օքսիդը։

Գրաֆենի օքսիդը (GO) սինթեզվում է գրաֆիտի օքսիդի (GrO) շերտազատմամբ։ Մինչ գրաֆիտի օքսիդը 3D նյութ է, որը բաղկացած է գրաֆենի միլիոնավոր շերտերից՝ դրանց միջև ներդրված թթվածնով, գրաֆենի օքսիդը միաշերտ կամ սակավաշերտ գրաֆեն է, որը երկու կողմից թթվածնացված է։
Գրաֆենի օքսիդն ու գրաֆենը միմյանցից տարբերվում են հետևյալ բնութագրերով. գրաֆենի օքսիդը բևեռային է, իսկ գրաֆենը՝ ոչ բևեռային։ Գրաֆենի օքսիդը հիդրոֆիլ է, իսկ գրաֆենը՝ հիդրոֆոբ։
Սա նշանակում է, որ գրաֆենի օքսիդը ջրալույծ է, ամֆիֆիլ, ոչ թունավոր, կենսաքայքայվող և առաջացնում է կայուն կոլոիդային կախույթներ։ Գրաֆենի օքսիդի մակերեսը պարունակում է էպօքսիդային, հիդրօքսիլային և կարբօքսիլային խմբեր, որոնք կարող են փոխազդել կատիոնների և անիոնների հետ։ Իրենց եզակի օրգանական–անօրգանական հիբրիդային կառուցվածքի և բացառիկ հատկությունների շնորհիվ GO–պոլիմեր կոմպոզիտներն ունեն մեծ ներուժ բազմաբնույթ արդյունաբերական կիրառությունների համար։ (Tolasz et al. 2014)

Ի՞նչ է վերականգնված գրաֆենի օքսիդը։

Վերականգնված գրաֆենի օքսիդը (rGO) ստացվում է գրաֆենի օքսիդի ուլտրաձայնային, քիմիական կամ ջերմային վերականգնմամբ։ Վերականգնման փուլի ընթացքում գրաֆենի օքսիդի թթվածին պարունակող ֆունկցիոնալ խմբերի մեծ մասը հեռացվում է, այնպես որ ստացված վերականգնված գրաֆենի օքսիդը (rGO) ունի անաղարտ գրաֆենին շատ նման բնութագրեր։ Սակայն վերականգնված գրաֆենի օքսիդը (rGO) մաքուր գրաֆենի պես արատազուրկ և անաղարտ չէ։

Գրականություն/Հղումներ

FactSheet: Ultrasonic Graphene Exfoliation and Dispersion — Hielscher Ultrasonics — english version
FactSheet: Exfoliación y Dispersión de Grafeno por Ultrasonidos — Hielscher Ultrasonics — spanish version
Gouvea R.A., Konrath Jr L.G., Cava S., Carreno N.L.V., Goncalves M.R.F. (2011): Synthesis of nanometric graphene oxide and its effects when added in MgAl₂O₄ ceramic. 10th SPBMat Brazil.
Kamisan A.I., Zainuddin L.W., Kamisan A.S., Kudin T.I.T., Hassan O.H., Abdul Halim N., Yahya M.Z.A. (2016): Ultrasonic Assisted Synthesis of Reduced Graphene Oxide in Glucose Solution. Key Engineering Materials Vol. 708, 2016. 25-29.
Štengl V., Henych J., Slušná M., Ecorchard P. (2014): Ultrasound exfoliation of inorganic analogues of graphene. Nanoscale Research Letters 9(1), 2014.
Štengl, V. (2012): Preparation of Graphene by Using an Intense Cavitation Field in a Pressurized Ultrasonic Reactor. Chemistry – A European Journal 18(44), 2012. 14047-14054.
Tolasz J., Štengl V., Ecorchard P. (2014): The Preparation of Composite Material of Graphene Oxide–Polystyrene. 3rd International Conference on Environment, Chemistry and Biology IPCBEE vol.78, 2014.
Potts J. R., Dreyer D. R., Bielawski Ch. W., Ruoff R.S (2011): Graphene-based polymer nanocomposites. Polymer Vol. 52, Issue 1, 2011. 5–25.