Ջրում դիսպերսվող գրաֆենի ուլտրաձայնային շերտազատում
- Միաշերտ և երկշերտ գրաֆենի նանոթերթերը կարող են արագ արտադրվել ուլտրաձայնային շերտազատմամբ՝ բարձր արտադրողականությամբ և ցածր ծախսերով։
- Ուլտրաձայնով շերտազատված գրաֆենը կարող է ֆունկցիոնալացվել կենսապոլիմերներով՝ ջրում դիսպերսվող գրաֆեն ստանալու համար։
- Ուլտրաձայնային կավիտացիայի միջոցով սինթեզված գրաֆենը կարող է հետագայում մշակվել՝ ջրային հիմքով կայուն դիսպերսիա ստանալու համար։
Բարձրորակ գրաֆենի ուլտրաձայնային շերտազատում
Ուլտրաձայնային մշակումը հուսալի մեթոդ է գրաֆիտի փաթիլներից կամ մասնիկներից գրաֆենի շերտեր (միաշերտ, երկշերտ և սակավաշերտ գրաֆեն) ստանալու համար։ Մինչ շերտազատման այլ տարածված տեխնոլոգիաները, ինչպիսիք են գնդային և գլանային աղացները կամ բարձր սահքային ուժերով խառնիչները, կապված են ցածր որակի և ագրեսիվ ռեագենտների ու լուծիչների օգտագործման հետ, ուլտրաձայնային շերտազատման մեթոդն առանձնանում է ստացվող արտադրանքի բարձր որակով, մշակման բարձր արտադրողականությամբ և մշակման մեղմ պայմաններով։
Ուլտրաձայնային կավիտացիան ստեղծում է ինտենսիվ սահքային ուժեր, որոնք իրար վրա դասավորված գրաֆիտի շերտերը բաժանում են անարատ գրաֆենի միաշերտ, երկշերտ և սակավաշերտ կառուցվածքների։
Ջրում դիսպերսվող գրաֆենի թերթեր՝ ուլտրաձայնային մշակմամբ
Ուլտրաձայնային մշակումը կրկնելի արդյունքներով արդյունավետ ընթացակարգ է՝ ջրում կամ օրգանական լուծիչներում ածխածնային նանոխողովակների խճճվածքը բացելու համար։[/caption]Սովորական պայմաններում գրաֆենը դժվարությամբ է դիսպերսվում ջրում և ջրային միջավայրում դիսպերսվելիս առաջացնում է ագրեգատներ ու ագլոմերատներ։ Քանի որ ջրային համակարգերն ունեն էական առավելություններ՝ էժան են, ոչ թունավոր և էկոլոգիապես բարենպաստ, ջրային հիմքով գրաֆենային համակարգերը խիստ գրավիչ են գրաֆեն արտադրողների և այն հետագայում օգտագործող արդյունաբերության համար։
Ջրում դիսպերսվող գրաֆենի նանոթերթեր ստանալու համար ուլտրաձայնով շերտազատված գրաֆենը ձևափոխվում է պոլիսախարիդներով / կենսապոլիմերներով, ինչպիսիք են պուլուլանը, խիտոզանը, ալգինատը, ժելատինը կամ արաբական խեժը։
- բարձրորակ գրաֆեն
- բարձր ելք
- ջրային հիմքով դիսպերսիա
- բարձր կոնցենտրացիա
- բարձր արդյունավետություն
- արագ գործընթաց
- ցածր ծախսեր
- բարձր արտադրողականություն
- էկոլոգիապես բարենպաստ
Զոնդային տիպի ուլտրաձայնային սարքերով ուլտրաձայնային ռեակտոր՝ գրաֆենի արդյունաբերական մասշտաբով շերտազատման համար
Ուլտրաձայնով գրաֆիտի ուղղակի շերտազատման արձանագրություն
Ոչ իոնային պուլուլանը և անիոնային ալգինատը (1,0 g) առանձին լուծվել են 20 ml թորած ջրում, մինչդեռ կատիոնային խիտոզանը (0,4 g) լուծվել է 1 wt% քացախաթթու պարունակող 20 ml թորած ջրում։ Գրաֆիտի փոշին դիսպերսվել է կենսապոլիմերների ջրային լուծույթներում և մշակվել զոնդային տիպի UP200S ուլտրաձայնային սարքով (առավելագույն հզորությունը՝ 200 W, հաճախականությունը՝ 24 kHz, Hielscher Ultrasonics, Գերմանիա), որը համալրված էր տիտանե սոնոտրոդով (S3 միկրոծայր, ծայրի տրամագիծը՝ 3 mm, առավելագույն ամպլիտուդը՝ 210µm, ակուստիկ հզորության խտությունը կամ մակերևութային ինտենսիվությունը՝ 460 W cm-2), հետևյալ պայմաններում՝ 0,5 ցիկլ և 50% ամպլիտուդ, համապատասխանաբար 10, 20, 30 և 60 min տևողությամբ։ Լավագույն արդյունքները ստացվել են 30min ուլտրաձայնային մշակման դեպքում։ Ուլտրաձայնային մշակումն իրականացվել է 16,25 W հզորությամբ՝ 30 րոպե, 731 Ws ml-1 էներգասպառմամբ (միավոր ծավալի հաշվով հաղորդված էներգիա)։
Այնուհետև խառնուրդները ցենտրիֆուգվել են 1500 rpm արագությամբ՝ 60 min, չշերտազատված գրաֆիտի մասնիկները հեռացնելու համար, ապա լվացվել են 5 անգամ և կրկին ցենտրիֆուգվել 5000 rpm արագությամբ՝ 20 min, կենսապոլիմերների ավելցուկը հեռացնելու համար։ Ստացված մուգ մոխրագույն լուծույթները վակուումում չորացվել են 40ºC ջերմաստիճանում, մինչև զանգվածի կորուստն այլևս չի գրանցվել։ Ստացված պոլիմեր–գրաֆեն փոշիները բնութագրման նպատակով կրկին դիսպերսվել են ջրում (1 mg ml-1՝ պուլուլանի և խիտոզանի համար, 0,18 mg ml-1՝ ալգինատի համար)։ Պուլուլանի, ալգինատի և խիտոզանի օժանդակությամբ ուլտրաձայնային մշակմամբ ստացված գրաֆենի թերթերը համապատասխանաբար նշանակվել են pull-G, alg-G և chit-G։
Երեք համակարգերից պուլուլանը և խիտոզանն ավելի արդյունավետ էին գրաֆիտի շերտազատման համար, քան ալգինատը։ Այս մեթոդով ստացվել են շերտազատված միաշերտ, երկշերտ և սակավաշերտ գրաֆենի թերթեր՝ միայն սակավ կողային (եզրային) արատներով։ Գրաֆենի մակերևույթին կենսապոլիմերների ադսորբցիան ապահովում է ջրային դիսպերսիայի երկարատև կայունություն (ավելի քան 6 ամիս)։
(հմմտ. Unalan et al. 2015)
Ջրում գրաֆիտի փաթիլի ձայնամեխանիկական շերտազատումը պատկերող կադրերի բարձրարագ հաջորդականություն (a-ից f)՝ UP200S ուլտրաձայնային սարքի կիրառմամբ (200W, 3-mm սոնոտրոդով)։ Սլաքները ցույց են տալիս ճեղքման (շերտազատման) տեղը, որտեղ կավիտացիոն պղպջակները ներթափանցում են ճեղքի մեջ։
(հետազոտությունը և պատկերները՝ © Tyurnina et al. 2020
pull-G նմուշի տրանսմիսիոն էլեկտրոնային մանրադիտակման (TEM) պատկերները՝ (a) 10 min, (b) 20 min, (c) 30 min, (d) 60 min, (e) chit-G՝ 30 min, (f) alg-G՝ 30 min։ (Unalan et al. 2015)
Ուլտրաձայնային սարքեր՝ գրաֆենի շերտազատման համար
Hielscher բարձր հզորության ուլտրաձայնային պրոցեսորներն ամբողջ աշխարհում օգտագործվում են գրաֆիտի և գրաֆենի հաջող շերտազատման ու դիսպերսման համար։ Մեր ուլտրաձայնային դիսպերսատորները հասանելի են լաբորատոր և սեղանադիր սարքերից մինչև լիարժեք արդյունաբերական արտադրության կայանքներ։ Բացի ամրությունից, 24/7 աշխատանքից և տեխնիկական սպասարկման փոքր պահանջից, Hielscher ուլտրաձայնային սարքերն առանձնանում են մշակման մեծ դյուրությամբ և մասշտաբի գծային մեծացման հնարավորությամբ։
Գործընթացները կարելի է հեշտությամբ փորձարկել և օպտիմալացնել լաբորատորիայում։ Դրանից հետո գործընթացի բոլոր արդյունքները կարելի է ամբողջովին գծային կերպով տեղափոխել առևտրային արտադրության ավելի մեծ մասշտաբի։ Սա ուլտրաձայնային մշակումը դարձնում է արդյունավետ և ռեսուրսախնայող արտադրական մեթոդ՝ բարձրորակ գրաֆենի թերթերի մեծ ծավալներ ստանալու համար։
Hielscher Ultrasonics արդյունաբերական ուլտրաձայնային պրոցեսորները կարող են ապահովել շատ բարձր ամպլիտուդներ։ Մինչև 200µm ամպլիտուդներով կարելի է հեշտությամբ աշխատել անընդհատ՝ 24/7 ռեժիմով։ Էլ ավելի բարձր ամպլիտուդների համար հասանելի են անհատական պատվերով պատրաստվող ուլտրաձայնային սոնոտրոդներ։ Համապատասխան ուլտրաձայնային ռեակտորներն ապահովում են բարձրորակ գրաֆենի նանոթերթերի, ինչպես նաև նանոթերթերի կայուն դիսպերսիաների հուսալի և անվտանգ զանգվածային արտադրության հնարավորությունը։
Hielscher ուլտրաձայնային սարքավորումների ամրությունը թույլ է տալիս աշխատել 24/7 ռեժիմով՝ մեծ բեռնվածությամբ և խստապահանջ միջավայրերում։
Ստորև բերված աղյուսակը պատկերացում է տալիս մեր ուլտրաձայնային սարքերի մշակման մոտավոր արտադրողականության մասին՝
| Խմբաքանակի ծավալ | Հոսքի ծավալային արագություն | Առաջարկվող սարքեր |
|---|---|---|
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1–20L | 0,2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000 |
| n.a. | 10–100L/min | UIP16000 |
| n.a. | ավելի մեծ | համախմբված սարքեր՝ UIP16000 |
Կապվե՛ք մեզ հետ։ / Հարցրե՛ք մեզ։
Երկչափ (2D) նանոթերթերի ուլտրաձայնային շերտազատման մեխանիզմը։
(հետազոտությունը և գծապատկերը՝ Tyurnina et al., 2020)
Արժե իմանալ
Գրաֆեն
Գրաֆենը sp2 կապերով կապված ածխածնի ատոմների միաշերտ է։ Գրաֆենն ունի նյութական եզակի բնութագրեր, ինչպիսիք են արտասովոր մեծ տեսակարար մակերեսը (2620 m2 g-1), գերազանց մեխանիկական հատկությունները՝ 1 TPa Յունգի մոդուլով և 130 GPa սեփական ամրությամբ, չափազանց բարձր էլեկտրահաղորդականությունը (սենյակային ջերմաստիճանում էլեկտրոնների շարժունակությունը՝ 2,5 × 105 cm2 V-1 s-1), շատ բարձր ջերմահաղորդականությունը (ավելի քան 3000 W m K-1)՝ թվարկելով ամենակարևոր հատկությունները։ Իր գերազանց նյութական հատկությունների շնորհիվ գրաֆենը լայնորեն օգտագործվում է բարձր արդյունավետությամբ մարտկոցների, վառելիքային տարրերի, արևային տարրերի, գերկոնդենսատորների, ջրածնի պահեստարանների, էլեկտրամագնիսական վահանների և էլեկտրոնային սարքերի մշակման ու արտադրության մեջ։ Բացի այդ, գրաֆենը ներառվում է բազմաթիվ նանոկոմպոզիտների և կոմպոզիտային նյութերի մեջ որպես ամրացնող հավելանյութ, օրինակ՝ պոլիմերներում, կերամիկական նյութերում և մետաղական մատրիցներում։ Իր բարձր հաղորդականության շնորհիվ գրաֆենը հաղորդիչ ներկերի և թանաքների կարևոր բաղադրիչ է։
Արագ և անվտանգ ուլտրաձայնային եղանակով անարատ գրաֆենի ստացումը մեծ ծավալներով և ցածր ծախսերով թույլ է տալիս ընդլայնել գրաֆենի կիրառությունները արդյունաբերության ավելի ու ավելի շատ ճյուղերում։
Գրականություն/Հղումներ
- 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.
Hielscher Ultrasonics արտադրում է բարձր արդյունավետությամբ ուլտրաձայնային հոմոգենիզատորներ՝ սկսած լաբորատոր սարքերից մինչև արդյունաբերական չափերի սարքեր։