Գրաֆենի ուլտրաձայնային դիսպերգում
Գրաֆենը կոմպոզիտների մեջ ներառելու համար անհրաժեշտ է այն դիսպերգել կամ շերտազատել առանձին նանոթերթերի՝ դրանք հավասարաչափ բաշխելով բաղադրության ամբողջ ծավալում։ Որքան ավելի ամբողջական է գրաֆենի ապաագլոմերացումը, այնքան ավելի լավ կարելի է օգտագործել դրա արտասովոր նյութական հատկությունները։ Ուլտրաձայնային դիսպերգումն ապահովում է մասնիկների գերազանց բաշխում և դիսպերսիայի կայունություն՝ նույնիսկ բարձր կոնցենտրացիաների և մածուցիկությունների դեպքում։ Այս մեթոդն ապահովում է դիսպերգման բացառիկ որակ՝ զգալիորեն գերազանցելով խառնման սովորական տեխնիկաները։
Գրաֆենի ուլտրաձայնային դիսպերգում
Կոմպոզիտներին գրաֆենի բացառիկ հատկությունները, օրինակ՝ ամրությունը, հաղորդելու համար գրաֆենը պետք է հավասարաչափ դիսպերգել մատրիցի մեջ կամ որպես բարակ թաղանթային ծածկույթ քսել տակդիրի վրա։ Ստացվող նյութի հատկությունների վրա ազդող հիմնական գործոններն են ագլոմերացումը, նստեցումը և մատրիցի ներսում դիսպերգումը կամ տակդիրի վրա մասնիկների բաշխումը։
Գրաֆենի հիդրոֆոբ բնույթի պատճառով առանց մակերևութաակտիվ նյութերի կամ դիսպերգացնող նյութերի կայուն և բարձր կոնցենտրացիայով դիսպերսիա ստեղծելը դժվար է։ Վան դեր Վալսի ուժերը հաղթահարելու համար անհրաժեշտ են սահքի մեծ ուժեր, որոնք կարելի է արդյունավետորեն առաջացնել ուլտրաձայնային կավիտացիայի միջոցով։ Այս մեթոդը կայուն դիսպերսիաների պատրաստման ամենաառաջադեմ մեթոդն է։
Արդյունաբերական ուլտրաձայնային սարքեր՝ գրաֆենի բարձր արտադրողականությամբ դիսպերգման համար։
Օգտագործելով ուլտրաձայնային դիսպերգատոր, օրինակ՝ 2kW հզորությամբ UIP2000hdT, 4kW հզորությամբ UIP4000hdT, 6kW հզորությամբ UIP6000hdT կամ 16kW հզորությամբ UIP16000hdT ուլտրաձայնային սարքը՝ հնարավոր է հեշտությամբ պատրաստել բարձր էլեկտրահաղորդականությամբ (712 S·m-1), լավ դիսպերսվածությամբ և բարձր կոնցենտրացիայով գրաֆեն։ Ուլտրաձայնային մշակումը նաև հնարավորություն է տալիս պատրաստել գրաֆենի կայուն դիսպերսիա գործընթացի ցածր՝ մոտավորապես 65°C ջերմաստիճանում։
Գրաֆենի շերտազատման և դիսպերգման համար նախատեսված Hielscher արդյունաբերական զոնդային ուլտրաձայնային սարքերի մասին լրացուցիչ տեղեկություններ և տեխնիկական մանրամասներ կարելի է գտնել այստեղ․
- UIP1000hdT (1000 վատտ հզորությամբ ուլտրաձայն)
- UIP2000hdT (2000 վատտ հզորությամբ ուլտրաձայն)
- UIP4000hdT (4000 վատտ հզորությամբ ուլտրաձայն)
- UIP6000hdT (6000 վատտ հզորությամբ ուլտրաձայն)
- UIP16000hdT (16 000 վատտ հզորությամբ ուլտրաձայն)
Hielscher ընկերության բոլոր ուլտրաձայնային սարքերը թույլ են տալիս ճշգրիտ վերահսկել գործընթացի բոլոր կարևոր պարամետրերը, իսկ ուլտրաձայնային դիսպերգման տեխնոլոգիան կանխում է գրաֆենի քիմիական և բյուրեղային կառուցվածքների վնասումը՝ արդյունքում ապահովելով անաղարտ, արատազուրկ գրաֆենային փաթիլներ։
Hielscher ընկերության հզոր ուլտրաձայնային սարքերն ունակ են մշակելու գրաֆենն ու գրաֆիտը մեծ ծավալներով, օրինակ՝ հեղուկ փուլում շերտազատման և գրաֆենի դիսպերգման համար։ Գործընթացի պարամետրերի ճշգրիտ վերահսկումը հնարավորություն է տալիս սահուն մեծացնել ուլտրաձայնային գործընթացների մասշտաբը՝ սեղանի սարքավորումներով մշակումից մինչև լիարժեք առևտրային արտադրություն։
Ուլտրաձայնով շերտազատված՝ մոտավորապես 3–4 շերտ ունեցող և մոտավորապես 1μm չափի սակավաշերտ գրաֆենը կարելի է (վերա)դիսպերգել առնվազն 63 mg/mL կոնցենտրացիաներով։
Գրաֆենի նանոթիթեղիկների սկանավորող էլեկտրոնային մանրադիտակով (SEM) պատկերներ՝ (b) X3000 և (c) X8000 խոշորացումներով
(Հետազոտությունը և պատկերները՝ ©Alizadeh et al., 2018)
- բարձրորակ գրաֆեն
- բարձր արտադրողականություն / բարձր ելքեր
- հավասարաչափ դիսպերգում
- բարձր կոնցենտրացիա
- բարձր մածուցիկություններ
- արագ գործընթաց
- ցածր ծախսեր
- բարձր արդյունավետություն
- շրջակա միջավայրի համար բարենպաստ
7kW հզորությամբ ուլտրաձայնային ռեակտոր՝ գրաֆենի դիսպերսիաների համար
Ուլտրաձայնային հոմոգենիզատորներ և դիսպերգատոր՝ գրաֆենի համար
Hielscher Ultrasonics ընկերությունն առաջարկում է բարձր հզորության ուլտրաձայնային համակարգեր՝ ծավալային շերտավոր գրաֆենն ու գրաֆիտը շերտազատելու և դիսպերսելու համար՝ ստանալով միաշերտ, երկշերտ և սակավաշերտ գրաֆեն։ Ընկերության հուսալի ուլտրաձայնային մշակման սարքերն ու առաջադեմ ռեակտորներն ապահովում են անհրաժեշտ հզորությունն ու ճշգրիտ կառավարումը՝ գործընթացի կոնկրետ նպատակներին հասնելու համար։
Գործընթացի ամենաէական պարամետրերից մեկը ուլտրաձայնային տատանումների ամպլիտուդն է, որը ուլտրաձայնային եղջյուրի տատանողական տեղաշարժն է։ Hielscher արդյունաբերական ուլտրաձայնային սարքերը նախատեսված են շատ բարձր ամպլիտուդներ ապահովելու համար՝ մինչև 200µm ամպլիտուդով անընդհատ աշխատանքի հնարավորությամբ։ Է՛լ ավելի բարձր ամպլիտուդների համար հասանելի են անհատական պատվերով պատրաստվող ուլտրաձայնային զոնդեր։ Hielscher բոլոր սոնիկատորների գործընթացային պարամետրերը կարելի է ճշգրիտ կարգավորել՝ ըստ գործընթացի պահանջվող պայմանների, և վերահսկել ներկառուցված ծրագրային ապահովման միջոցով՝ ապահովելով բարձր հուսալիություն, կայուն որակ և վերարտադրելի արդյունքներ։ Hielscher սոնիկատորների ամուր կառուցվածքը նախատեսված է պահանջկոտ միջավայրերում 24/7 աշխատանքի համար, ինչի շնորհիվ ուլտրաձայնային մշակումը նախընտրելի տեխնոլոգիա է միաշերտ և սակավաշերտ գրաֆենի նանոթերթերի լայնածավալ արտադրության համար։
Hielscher ընկերությունն առաջարկում է ուլտրաձայնային սարքերի և օժանդակ պարագաների լայն տեսականի, այդ թվում՝ տարբեր չափերի ու երկրաչափական ձևերի սոնոտրոդներ և ռեակտորներ։ Սա թույլ է տալիս ընտրել ռեակցիայի օպտիմալ պայմաններն ու գործոնները, օրինակ՝ ռեագենտները, միավոր ծավալին հաղորդվող ուլտրաձայնային էներգիան, ճնշումը, ջերմաստիճանը և ծավալային հոսքի արագությունը՝ ամենաբարձր որակին հասնելու համար։ Ընկերության ուլտրաձայնային ռեակտորներում ճնշումը կարելի է բարձրացնել մինչև մի քանի հարյուր barg՝ հնարավոր դարձնելով բարձր մածուցիկությամբ մածուկների (մինչև 250 000 սանտիպուազ) ուլտրաձայնային մշակումը։
Այս հնարավորությունների շնորհիվ ուլտրաձայնային շերտաբաժանումը, շերտազատումը և դիսպերսումը գերազանցում են մանրացման և աղացման ավանդական մեթոդներին։
Hielscher սոնիկատորները շուկայում առկա ամենաառաջադեմ ուլտրաձայնային հոմոգենիզատորներն են։ Օգտվե՛ք Hielscher սոնիկատորների ընձեռած բազմաթիվ առավելություններից։
Գրաֆենի նանոթիթեղիկների ուլտրաձայնային սինթեզը պատկերող գծապատկեր՝ UP100H սոնիկատորի կիրառմամբ
(Հետազոտություն և գծապատկեր՝ Ghanem and Rehim, 2018)
Hielscher սոնիկատորներ՝ գրաֆենի համար.
- բարձր հզորության ուլտրաձայն
- բարձր սահքային ուժեր
- բարձր ճնշումների կիրառման հնարավորություն
- ճշգրիտ կառավարում
- մասշտաբի անխափան մեծացում (գծային)
- պարբերական և հոսքային մշակում
- վերարտադրելի արդյունքներ
- հուսալիություն
- ամրություն
- բարձր էներգաարդյունավետություն
Օգտակար տեղեկություններ
Ի՞նչ է գրաֆենը։
Գրաֆենը ածխածնի մեկ ատոմ հաստությամբ շերտ է, որը կարելի է նկարագրել որպես գրաֆենի միաշերտ կամ 2D կառուցվածք (միաշերտ գրաֆեն = SLG)։ Գրաֆենն ունի արտասովոր մեծ տեսակարար մակերես և գերազանց մեխանիկական հատկություններ (Յունգի մոդուլը՝ 1 TPa, սեփական ամրությունը՝ 130 GPa), ապահովում է բարձր էլեկտրոնային և ջերմային հաղորդականություն, լիցքակիրների բարձր շարժունակություն, թափանցիկություն և անթափանց է գազերի համար։ Նյութի այս բնութագրերի շնորհիվ գրաֆենն օգտագործվում է որպես ամրացնող հավելանյութ՝ կոմպոզիտներին հաղորդելու իր ամրությունը, հաղորդականությունը և այլ հատկություններ։ Գրաֆենի բնութագրերն այլ նյութերի հատկությունների հետ համատեղելու համար գրաֆենը պետք է դիսպերսվի բաղադրության մեջ կամ կիրառվի որպես բարակ թաղանթային ծածկույթ՝ տակդիրի վրա։
Տարածված լուծիչները, որոնք հաճախ օգտագործվում են որպես հեղուկ փուլ՝ գրաֆենի նանոթերթերը դիսպերսելու համար, ներառում են դիմեթիլսուլֆօքսիդը (DMSO), N,N-դիմեթիլֆորմամիդը (DMF), N-մեթիլ-2-պիրոլիդոնը (NMP), տետրամեթիլմիզանյութը (TMU, տետրահիդրոֆուրանը (THF), «propylene carbonateacetone» (PC), էթանոլը և ֆորմամիդը։
Հնարավո՞ր է գրաֆենը դիսպերսել ջրում։
Այո՛, գրաֆենը կարելի է դիսպերսել ջրում՝ օգտագործելով մակերևութաակտիվ նյութեր, պոլիմերներ կամ այլ կայունացնող նյութեր՝ ագրեգացումը կանխելու և դիսպերսիայի կայունությունը պահպանելու համար։ Դիսպերսման հուսալի սարքավորումները, օրինակ՝ զոնդային սոնիկատորները, նույնպես վճռորոշ դեր են խաղում գրաֆենի դիսպերսման գործում՝ ուլտրաձայնային էներգիայի միջոցով քայքայելով ագլոմերատները և փոքրացնելով գրաֆենի մասնիկների չափերը, ինչը նպաստում է հեղուկ միջավայրում ավելի համասեռ և կայուն դիսպերսիայի առաջացմանը։
Կարո՞ղ է գրաֆենի օքսիդը լուծվել ջրում։
Այո՛, գրաֆենի օքսիդը կարող է լուծվել ջրում՝ շնորհիվ իր թթվածին պարունակող ֆունկցիոնալ խմբերի, որոնք մեծացնում են դրա հիդրոֆիլությունը և թույլ են տալիս ձևավորել կայուն ջրային դիսպերսիաներ։
Ո՞րն է գրաֆենը դիսպերգելու լավագույն լուծիչը։
Գրաֆենը դիսպերգելու լավագույն լուծիչը N-մեթիլ-2-պիրոլիդոնն է (NMP)՝ շնորհիվ իր բարձր բևեռայնության և գրաֆենի թերթերը կայունացնելու ունակության, ինչի արդյունքում ստացվում է համասեռ և կայուն դիսպերսիա։
Ինչո՞ւ է գրաֆենը ջրում անլուծելի։
Գրաֆենը ջրում անլուծելի է, քանի որ չունի ֆունկցիոնալ խմբեր, որոնք կարող են փոխազդել ջրի մոլեկուլների հետ, ինչի հետևանքով այն հիդրոֆոբ է և հակված է ագրեգացման՝ գրաֆենի թերթերի միջև գործող վան դեր Վաալսի ուժեղ ուժերի պատճառով։
Ինչո՞ւ է գրաֆենն օգտագործվում կոմպոզիտներում։
Գրաֆենը մեկ ատոմ հաստությամբ ամենաբարակն է, մոտ 0,77 mg քաշով՝ յուրաքանչյուր 1m2 մակերեսի հաշվով՝ ամենաթեթևը, իսկ 150 000 000 psi ձգման կոշտությամբ (պողպատից 100–300 անգամ ավելի ամուր) և 130 000 000 000 պասկալ ձգման ամրությամբ՝ հայտնի նյութերից ամենաամուրը։
Բացի այդ, գրաֆենը լավագույն ջերմահաղորդիչն է (սենյակային ջերմաստիճանում ջերմահաղորդականությունը՝ (4,84±0,44) × 103 –(5,30±0,48) × 103 W·m-11·K-1) և լավագույն էլեկտրահաղորդիչը (էլեկտրոնների շարժունակությունը գերազանցում է 15 000 cm2·V-1·s-1)։
Գրաֆենի մեկ այլ կարևոր բնութագիր է նրա օպտիկական հատկությունը՝ սպիտակ լույսի πα≈2,3% կլանմամբ, և նրա թափանցիկ տեսքը։
Գրաֆենը մատրիցների մեջ ներառելով՝ նյութի այս բացառիկ հատկությունները կարելի է փոխանցել ստացվող կոմպոզիտին, որն ապահովում է եզակի գործառույթներ։ Գրաֆենով ամրացված այսպիսի կոմպոզիտները նոր հնարավորություններ են ընձեռում նյութերի մշակման և արդյունաբերական կիրառությունների համար։ Իրենց հատկությունների շնորհիվ գրաֆենն ու գրաֆենային կոմպոզիտներն արդեն լայնորեն տարածված են բարձր արդյունավետությամբ մարտկոցների, գերկոնդենսատորների, հաղորդիչ թանաքների, ծածկույթների, ֆոտովոլտային համակարգերի և էլեկտրոնային սարքերի արտադրության մեջ։
Hielscher ուլտրաձայնային սարքերն ապահովում են անհրաժեշտ բարձր սահքային ուժերը՝ վան դեր Վաալսի ուժերը հաղթահարելու և գրաֆենի նանոթերթերը կոմպոզիտային մատրիցներում համասեռ բաշխելու համար։ Ուլտրաձայնային դիսպերգատորները, օրինակ՝ UIP2000hdT կամ UIP16000, օգտագործվում են գրաֆենով և գրաֆենի օքսիդով ամրացված նանոկոմպոզիտներ արտադրելու համար։
Գրականություն/Հղումներ
- 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 ընկերությունն արտադրում է բարձր արդյունավետությամբ ուլտրաձայնային հոմոգենիզատորներ՝ լաբորատոր չափերից մինչև արդյունաբերական չափեր։