წყალში დისპერსირებადი გრაფენის ულტრაბგერითი ექსფოლიაცია
- მონო- და ბიშრეიანი გრაფენის ნანოფურცლები შეიძლება სწრაფად მივიღოთ ულტრაბგერითი ექსფოლიაციის გზით, მაღალი წარმადობით და დაბალ ფასად.
- ულტრაბგერით ექსფოლიირებული გრაფენი შეიძლება ფუნქციონალიზდეს ბიოპოლიმერებით, რათა მივიღოთ წყალში დისპერსირებადი გრაფენი.
- ულტრაბგერითი კავიტაციის მეშვეობით, სინთეზირებული გრაფენი შეიძლება დამუშავდეს სტაბილურ წყალფუძიან დისპერსიად.
მაღალი ხარისხის გრაფენის ულტრაბგერითი ექსფოლიაცია
ულტრაბგერითი დამუშავება საიმედო მეთოდია გრაფიტის ფანტელების ან ნაწილაკებისგან გრაფენის ფენების (მონო-, ბი- და რამდენიმეშრეიანი გრაფენის) მისაღებად. სხვა გავრცელებული ექსფოლიაციის მეთოდებისგან განსხვავებით, როგორიცაა ბურთულებიანი და გორგოლაჭებიანი წისქვილები ან მაღალი ძვრის შემრევები, რომლებიც დაბალ ხარისხსა და აგრესიული რეაგენტებისა და გამხსნელების გამოყენებას უკავშირდება, ულტრაბგერითი ექსფოლიაციის მეთოდი გამოირჩევა მაღალი ხარისხის პროდუქტით, მაღალი წარმადობითა და დამუშავების რბილი პირობებით.
ულტრაბგერითი კავიტაცია ქმნის ინტენსიურ ძვრის ძალებს, რომლებიც გრაფიტის დაწყობილ ფენებს ყოფს მონო-, ბი- და რამდენიმეშრეიან, დეფექტების გარეშე მყოფ გრაფენად.
წყალში დისპერსირებადი გრაფენის ფურცლები ულტრაბგერითი დამუშავების გზით
ულტრაბგერითი დამუშავება არის ეფექტური პროცედურა გამეორებადი შედეგებით, ნახშირბადის ნანომილაკების გასაშლელად წყალში ან ორგანულ გამხსნელებში.[/caption]ნორმალურ პირობებში გრაფენი წყალში ძნელად დისპერსირდება და წყლიან გარემოში დისპერსირებისას აგრეგატებსა და აგლომერატებს წარმოქმნის. ვინაიდან წყალზე დაფუძნებულ სისტემებს მნიშვნელოვანი უპირატესობები აქვთ – ისინი იაფი, არატოქსიკური და ეკოლოგიურად სუფთაა – წყალზე დაფუძნებული გრაფენის სისტემები მეტად მიმზიდველია გრაფენის მწარმოებლებისა და მისი შემდგომი გადამამუშავებელი ინდუსტრიისთვის.
წყალში დისპერსირებადი გრაფენის ნანოფურცლების მისაღებად ულტრაბგერით ექსფოლიირებული გრაფენი მოდიფიცირდება პოლისაქარიდებით / ბიოპოლიმერებით, როგორიცაა პულულანი, ქიტოზანი, ალგინატი, ჟელატინი ან გუმიარაბიკი.
- მაღალი ხარისხის გრაფენი
- მაღალი გამოსავლიანობა
- წყალფუძიანი დისპერსია
- მაღალი კონცენტრაცია
- მაღალი ეფექტურობა
- სწრაფი პროცესი
- დაბალი ღირებულება
- მაღალი წარმადობა
- ეკოლოგიურად სუფთა
ულტრაბგერითი რეაქტორი ზონდური ტიპის ულტრაბგერითი აპარატებით გრაფენის სამრეწველო მასშტაბით ექსფოლიაციისთვის
გრაფიტის პირდაპირი ექსფოლიაციის პროტოკოლი ულტრაბგერის გამოყენებით
არაიონური პულულანი და ანიონური ალგინატი (1,0 g) ცალ-ცალკე გახსნეს 20 ml დისტილირებულ წყალში, ხოლო კატიონური ქიტოზანი (0,4 g) გახსნეს 20 ml დისტილირებულ წყალში, რომელიც შეიცავდა 1 wt% ძმარმჟავას. გრაფიტის ფხვნილი დაადისპერსირეს ბიოპოლიმერების წყალხსნარებში და დაამუშავეს ზონდური ტიპის ულტრაბგერითი აპარატით UP200S (მაქსიმალური სიმძლავრე 200 W, სიხშირე 24 kHz, Hielscher Ultrasonics, გერმანია), რომელიც აღჭურვილი იყო ტიტანის სონოტროდით (მიკროწვერი S3, წვერის დიამეტრი 3 mm, მაქსიმალური ამპლიტუდა 210µm, აკუსტიკური სიმძლავრის სიმკვრივე ან ზედაპირული ინტენსივობა 460 W cm-2), შემდეგ პირობებში: 0,5 ციკლი და 50% ამპლიტუდა, შესაბამისად, 10, 20, 30 და 60 min განმავლობაში. საუკეთესო შედეგები მიიღეს 30min ულტრაბგერითი დამუშავებისას. ულტრაბგერითი დამუშავება ჩატარდა 16,25 W სიმძლავრით 30 წუთის განმავლობაში, ენერგომოხმარებით (მოცულობის ერთეულზე მიწოდებული ენერგია) 731 Ws ml-1.
შემდეგ ნარევები დააცენტრიფუგირეს 1500 rpm-ზე 60 min განმავლობაში არაექსფოლიირებული გრაფიტის ნაწილაკების მოსაშორებლად, შემდეგ გარეცხეს 5-ჯერ და კვლავ დააცენტრიფუგირეს 5000 rpm-ზე 20 min განმავლობაში ჭარბი ბიოპოლიმერების მოსაშორებლად. მიღებული მუქი ნაცრისფერი ხსნარები ვაკუუმში გააშრეს 40ºC-ზე, სანამ მასის კლება არ შეწყდა. მიღებული პოლიმერ–გრაფენის ფხვნილები მახასიათებლების დასადგენად ხელახლა დაადისპერსირეს წყალში (1 mg ml-1 პულულანისა და ქიტოზანისთვის; 0,18 mg ml-1 ალგინატისთვის). პულულანის, ალგინატისა და ქიტოზანის დახმარებით ულტრაბგერითი დამუშავებით მიღებული გრაფენის ფურცლები აღინიშნა, შესაბამისად, როგორც pull-G, alg-G და chit-G.
სამი სისტემიდან, პულულანი და ქიტოზანი უფრო ეფექტური იყო გრაფიტის ექსფოლიაციისთვის ვიდრე ალგინატი. ამ მეთოდმა მოგვცა ექსფოლიირებული მონო-, ბი- და რამდენიმეშრეიანი გრაფენის ფურცლები მხოლოდ დაბალი გვერდითი (კიდეების) დეფექტებით. ბიოპოლიმერების ადსორბცია გრაფენის ზედაპირზე უზრუნველყოფს წყალფუძიანი დისპერსიის ხანგრძლივ სტაბილურობას (6 თვეზე მეტი).
(იხ. Unalan et al. 2015)
მაღალი სიჩქარით გადაღებული კადრების მიმდევრობა (a-დან f-მდე), რომელიც ასახავს გრაფიტის ფანტელის სონომექანიკურ ექსფოლიაციას წყალში UP200S-ის, 3-mm სონოტროდით აღჭურვილი 200W ულტრაბგერითი აპარატის გამოყენებით. ისრები აჩვენებენ გაყოფის (ექსფოლიაციის) ადგილს კავიტაციის ბუშტების შეღწევით გაყოფაში.
(კვლევა და სურათები: © Tyurnina et al. 2020
TEM სურათები pull-G-სთვის: (a) 10 წთ; (b) 20 წთ; (c) 30 წთ; (d) 60 წთ; (e) chit-G 30 წთ-ისთვის; (f) alg-G 30 წთ-ისთვის. (Unalan et al. 2015)
ულტრაბგერითი დამუშავებლები გრაფენის ექსფოლიაციისთვის
Hielscher-ის მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერითი პროცესორები მთელ მსოფლიოში გამოიყენება გრაფიტისა და გრაფენის წარმატებული ექსფოლიაციისა და დისპერსირებისთვის. ჩვენი ულტრაბგერითი დისპერგატორები ხელმისაწვდომია ლაბორატორიული და მაგიდაზე დასადგმელი აპარატებიდან სრულმასშტაბიანი სამრეწველო წარმოების დანადგარებამდე. გამძლეობის, 24/7 მუშაობისა და ტექნიკური მომსახურების მცირე საჭიროების გარდა, Hielscher-ის ულტრაბგერითი აპარატები გამოირჩევა დამუშავების სიმარტივითა და წრფივი მასშტაბირებადობით.
პროცესები შეიძლება მარტივად გამოიცადოს და ოპტიმიზირდეს ლაბორატორიაში. შემდეგ პროცესის ყველა შედეგი შეიძლება სრულად წრფივად მასშტაბირდეს კომერციული წარმოების დონემდე. ეს ულტრაბგერით დამუშავებას მაღალი ხარისხის გრაფენის ფურცლების დიდი მოცულობით წარმოების ეფექტურ და ეფექტიან მეთოდად აქცევს.
Hielscher Ultrasonics-ის სამრეწველო ულტრაბგერით პროცესორებს შეუძლია ძალიან მაღალი ამპლიტუდების უზრუნველყოფა. 200µm-მდე ამპლიტუდით უწყვეტი მუშაობა მარტივად არის შესაძლებელი 24/7 რეჟიმში. კიდევ უფრო მაღალი ამპლიტუდებისთვის ხელმისაწვდომია ინდივიდუალური შეკვეთით დამზადებული ულტრაბგერითი სონოტროდები. შესაბამისი ულტრაბგერითი რეაქტორები უზრუნველყოფს მაღალი ხარისხის გრაფენის ნანოფურცლებისა და ნანოფურცლების სტაბილური დისპერსიების საიმედო და უსაფრთხო მასობრივი წარმოების შესაძლებლობას.
Hielscher-ის ულტრაბგერითი აღჭურვილობის გამძლეობა უზრუნველყოფს 24/7 მუშაობას დიდი დატვირთვით და რთულ გარემო პირობებში.
ქვემოთ მოცემული ცხრილი გაძლევთ წარმოდგენას ჩვენი ულტრაბგერითი დამუშავებლების დაახლოებით დამუშავების წარმადობაზე:
| პარტიის მოცულობა | მოცულობითი ხარჯი | რეკომენდებული მოწყობილობები |
|---|---|---|
| 10-დან 2000mL-მდე | 20-დან 400mL/min-მდე | UP200Ht, UP400St |
| 0,1-დან 20L-მდე | 0,2-დან 4L/min-მდე | UIP2000hdT |
| 10-დან 100L-მდე | 2-დან 10L/min-მდე | UIP4000 |
| n.a. | 10-დან 100L/min-მდე | UIP16000 |
| n.a. | უფრო დიდი | კლასტერი UIP16000 |
დაგვიკავშირდით! / დაგვისვით შეკითხვა!
2D ნანოფურცლების ულტრაბგერითი ექსფოლიაციის მექანიზმი.
(კვლევა და გრაფიკა: Tyurnina et al., 2020)
ფაქტები, რომელთა ცოდნაც სასარგებლოა
გრაფენი
გრაფენი არის sp2-ბმებით დაკავშირებული ნახშირბადის ატომების მონოშრე. გრაფენს აქვს უნიკალური მატერიალური თვისებები, როგორიცაა განსაკუთრებით დიდი კუთრი ზედაპირის ფართობი (2620 m2 g-1), უპრეცედენტო მექანიკური თვისებები 1 TPa იუნგის მოდულით და 130 GPa შიდა სიმტკიცით, უკიდურესად მაღალი ელექტრონული გამტარობა (ელექტრონების მოძრაობადობა ოთახის ტემპერატურაზე 2,5 × 105 cm2 V-1 s-1), ძალიან მაღალი თბოგამტარობა (3000 W m K-1-ზე მეტი), თუ მხოლოდ უმნიშვნელოვანეს თვისებებს ჩამოვთვლით. თავისი გამორჩეული მატერიალური თვისებების გამო გრაფენი ფართოდ გამოიყენება მაღალი წარმადობის ბატარეების, საწვავის ელემენტების, მზის ელემენტების, სუპერკონდენსატორების, წყალბადის საცავების, ელექტრომაგნიტური ეკრანებისა და ელექტრონული მოწყობილობების შემუშავებასა და წარმოებაში. გარდა ამისა, გრაფენი მრავალ ნანოკომპოზიტსა და კომპოზიტურ მასალაში შედის გამამტკიცებელი დანამატის სახით, მაგალითად, პოლიმერებში, კერამიკასა და ლითონის მატრიცებში. მაღალი გამტარობის გამო გრაფენი ელექტროგამტარი საღებავებისა და მელნების მნიშვნელოვანი კომპონენტია.
სწრაფი და უსაფრთხო დეფექტების გარეშე მყოფი გრაფენის ულტრაბგერითი მომზადება დიდი მოცულობითა და დაბალი დანახარჯებით შესაძლებელს ხდის გრაფენის გამოყენების გაფართოებას სულ უფრო მეტ ინდუსტრიაში.
ლიტერატურა/წყაროები
- 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 აწარმოებს მაღალი წარმადობის ულტრაბგერით ჰომოგენიზატორებს ლაბორატორიული ზომი დან სამრეწველო ზომამდე.