წყალზე დაფუძნებული გრაფენის ექსფოლიაცია
ულტრაბგერითი ექსფოლიაცია საშუალებას იძლევა, წარმოიქმნას მრავალფენიანი გრაფენი მკაცრი გამხსნელების გამოყენების გარეშე, მხოლოდ სუფთა წყლის გამოყენებით. მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერითი დამუშავება გრაფენის ფურცლებს დელამინირებს მოკლე დროში. გამხსნელების თავიდან აცილება გრაფენის ექსფოლიაციას აქცევს მწვანე, მდგრად პროცესად.
გრაფენის წარმოება თხევადი ფაზის ექსფოლიაციის გზით
გრაფენი კომერციულად მზადდება ე.წ. თხევადი ფაზის ექსფოლიაციის გზით. გრაფენის თხევადი ფაზის ექსფოლიაცია მოითხოვს ტოქსიკური, გარემოსთვის მავნე და ძვირადღირებული გამხსნელების გამოყენებას, რომლებიც გამოიყენება ქიმიური წინასწარი დამუშავებისთვის ან მექანიკური დისპერსიის ტექნიკასთან ერთად. გრაფენის ფურცლების მექანიკური დისპერსიისთვის, ულტრაბგერითი დამუშავება დამკვიდრდა, როგორც მაღალსაიმედო, ეფექტური და უსაფრთხო ტექნიკა მაღალი ხარისხის გრაფენის ფურცლების მასშტაბურად, სრულად ინდუსტრიულ დონეზე წარმოებისთვის. რადგან მკაცრი გამხსნელების გამოყენება თან ახლავს ხარჯებს, დაბინძურებას, რთულ მოცილებასა და განთავისუფლებას, უსაფრთხოების საკითხებს, ასევე გარემოს დატვირთვას, არატოქსიკური და უფრო უსაფრთხო ალტერნატივა მნიშვნელოვნად ხელსაყრელია. გრაფენის ექსფოლიაცია წყლის გამოყენებით, როგორც გამხსნელისა და მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერითი დამუშავება მრავალფენიანი გრაფენის ფურცლების მექანიკური დელამინაციისთვის, ამიტომ არის მაღალპერსპექტიული ტექნიკა მწვანე გრაფენის წარმოებისთვის.
ზოგადი გამხსნელები, რომლებიც ხშირად გამოიყენება თხევად ფაზად გრაფენის ნანოფურცლების დისპერსიისთვის, მოიცავს დიმეთილსულფოქსიდს (DMSO), N,N-დიმეთილფორმამიდს (DMF), N-მეთილ-2-პიროლიდონს (NMP), ტეტრამეთილურეას (TMU), ტეტრაჰიდროფურანს (THF), პროპილენკარბონატაცეტონს (PC), ეთანოლს და ფორმამიდს.
როგორც გრაფენის ექსფოლიაციისთვის კომერციულ მასშტაბზე დიდი ხანია დამკვიდრებული ტექნიკა, ულტრაბგერითი დამუშავება საშუალებას იძლევა, დაბალ ღირებულებით წარმოიქმნას მაღალი ხარისხის, მაღალი სიწმინდის გრაფენი. რადგან ულტრაბგერითი გრაფენის ექსფოლიაცია შეიძლება სრულად ლინეარულად გაიზარდოს ნებისმიერ მოცულობამდე, მაღალი ხარისხის გრაფენის ფოლგების წარმოების სიმძლავრე მარტივად შეიძლება იქნას დანერგილი გრაფენის მასობრივი წარმოებისთვის.
UIP2000hdT არის 2kW მძლავრი ულტრაბგერითი დისპერგატორი გრაფენის ექსფოლიაციისა და დისპერსიისთვის.
გრაფენის ულტრაბგერითი ექსფოლიაცია წყალში
Tyurnina et al. (2020) შეისწავლეს ამპლიტუდისა და ულტრაბგერითი ინტენსივობის გავლენა სუფთა წყალ-გრაფიტის ხსნარებზე და მიღებულ გრაფენის ექსფოლიაციაზე. კვლევაში მათ გამოიყენეს Hielscher UP200S (200W, 24kHz). წყლის გამოყენებით ულტრაბგერითი ექსფოლიაცია გამოყენებულ იქნა, როგორც ერთსაფეხურიანი პროცესი მრავალფენიანი გრაფენის დელამინაციისთვის. 2სთ მოკლე დამუშავება საკმარისი იყო მრავალფენიანი გრაფენის წარმოებისთვის ღია ჭურჭელში ულტრაბგერითი დამუშავების კონფიგურაციაში.
სწრაფი სეკვენცია (a-დან f-მდე) კადრებისა, რომლებიც ასახავს გრაფიტის ფოლგის სონომექანიკურ ექსფოლიაციას წყალში UP200s-ის გამოყენებით, 24 kHz ულტრაბგერითი აპარატი 3-mm სონოტროდით. ისრები აჩვენებს გაყოფის (ექსფოლიაციის) ადგილს კავიტაციის ბუშტებით, რომლებიც ღრმავდება გაყოფაში.
© Tyurnina et al., 2020
ულტრაბგერითი გრაფენის ექსფოლიაციის ოპტიმიზაცია
Tyurnina et al. (2020) მიერ გამოყენებული ულტრაბგერითი კონფიგურაცია მარტივად შეიძლება იქნას ოპტიმიზებული უფრო მეტი ეფექტურობისა და უფრო სწრაფი ექსფოლიაციისთვის დახურული ულტრაბგერითი რეაქტორის გამოყენებით ნაკადის რეჟიმში. ულტრაბგერითი ინლაინ დამუშავება საშუალებას იძლევა, მნიშვნელოვნად უფრო ერთგვაროვანი ულტრაბგერითი დამუშავება მოხდეს მთელი გრაფიტის საწყისი მასალის: გრაფიტის / წყლის ხსნარის პირდაპირ ულტრაბგერითი კავიტაციის შეზღუდულ სივრცეში შეტანით, მთელი გრაფიტი ერთგვაროვნად დამუშავდება, რაც იწვევს მაღალი ხარისხის გრაფენის ფოლგების მაღალ გამოსავალს.
Hielscher Ultrasonics სისტემები საშუალებას იძლევა, ზუსტი კონტროლი მოხდეს ყველა მნიშვნელოვან დამუშავების პარამეტრზე, როგორიცაა ამპლიტუდა, დრო / შეკავება, ენერგიის შეტანა (Ws/mL), წნევა და ტემპერატურა. ოპტიმალური ულტრაბგერითი პარამეტრების დაყენება იწვევს უმაღლეს გამოსავალს, ხარისხსა და ჯამურ ეფექტურობას.
როგორ უწყობს ხელს ულტრაბგერითი დამუშავება გრაფენის ექსფოლიაციას
როდესაც მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერითი ტალღები შეჰყავთ გრაფიტის ფხვნილისა და წყლის ან ნებისმიერი გამხსნელის სუსპენზიაში, სონომექანიკური ძალები, როგორიცაა მაღალი ძვრა, ინტენსიური ტურბულენტობა და მაღალი წნევისა და ტემპერატურის დიფერენციალები, ქმნიან ენერგეტიკულად ინტენსიურ პირობებს. ეს ენერგეტიკულად ინტენსიური პირობები არის აკუსტიკური კავიტაციის ფენომენის შედეგი.
გაიგეთ მეტი ულტრაბგერითი კავიტაციის შესახებ აქ!
მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერა იწვევს გრაფიტის ფხვნილის გაფართოებას, რადგან სითხეები იჭრება გრაფენის ფენებს შორის, საიდანაც გრაფიტი შედგება. ულტრაბგერითი ძვრის ძალები დელამინირებენ გრაფენის ცალკეულ ფურცლებს და დისპერსიას უკეთებენ მათ, როგორც გრაფენის ფანტელებს ხსნარში. გრაფენის გრძელვადიანი სტაბილურობის მისაღებად წყალში საჭიროა surfactant-ი, ანუ ზედაპირულად აქტიური ნივთიერება.
გრაფენის ექსფოლიაციის ულტრაბგერითი თხევადი ფაზის ექსფოლიაციის მექანიზმი.
კვლევა და სურათი Tyurnina et al., 2021.
მაღალეფექტური ულტრაბგერითი აპარატები გრაფენის ექსფოლიაციისთვის
Hielscher ულტრაბგერითი აპარატების ჭკვიანი ფუნქციები შექმნილია საიმედო ექსპლუატაციის, რეპროდუცირებადი შედეგებისა და მოხმარების სიმარტივის უზრუნველსაყოფად. ოპერაციული პარამეტრები მარტივად ხელმისაწვდომია და შეიძლება დაყენდეს ინტუიციური მენიუს მეშვეობით, რომელზეც წვდომა შესაძლებელია ციფრული ფერადი სენსორული ეკრანისა და ბრაუზერის დისტანციური მართვის მეშვეობით. ამიტომ ყველა დამუშავების პირობა, როგორიცაა წმინდა ენერგია, ჯამური ენერგია, ამპლიტუდა, დრო, წნევა და ტემპერატურა, ავტომატურად იწერება ჩაშენებულ SD-ბარათზე. ეს საშუალებას გაძლევთ, გადახედოთ და შეადაროთ წინა ულტრაბგერითი დამუშავების ციკლები და ოპტიმიზება გაუკეთოთ გრაფენის ექსფოლიაციის პროცესს უმაღლესი ეფექტურობისთვის.
Hielscher Ultrasonics სისტემები მსოფლიო მასშტაბით გამოიყენება მაღალი ხარისხის გრაფენის ფურცლებისა და გრაფენის ოქსიდების წარმოებისთვის. Hielscher ინდუსტრიული ულტრაბგერითი აპარატები მარტივად მუშაობენ მაღალ ამპლიტუდებზე უწყვეტი რეჟიმში (24/7/365). 200µm-მდე ამპლიტუდები მარტივად შეიძლება უწყვეტად იქნას გენერირებული სტანდარტული სონოტროდებით (ულტრაბგერითი ზონდები / რქები და CascatrodesTM). კიდევ უფრო მაღალი ამპლიტუდებისთვის, ხელმისაწვდომია ინდივიდუალურად შექმნილი ულტრაბგერითი სონოტროდები. მათი გამძლეობისა და დაბალი მომსახურების გამო, ჩვენი ულტრაბგერითი ექსფოლიაციის სისტემები ჩვეულებრივ ინსტალირდება მძიმე პირობებში და მოთხოვნად გარემოში.
Hielscher ულტრაბგერითი პროცესორები გრაფენის ექსფოლიაციისთვის უკვე ინსტალირებულია მსოფლიო მასშტაბით კომერციულ დონეზე. დაგვიკავშირდით ახლა, რათა განვიხილოთ თქვენი გრაფენის წარმოების პროცესი! ჩვენი გამოცდილი პერსონალი სიამოვნებით გაგიზიარებთ მეტ ინფორმაციას ექსფოლიაციის პროცესის, ულტრაბგერითი სისტემებისა და ფასების შესახებ!
გრაფენის ულტრაბგერითი სინთეზის, დისპერსიისა და ფუნქციონალიზაციის შესახებ მეტი გასაგებად, გთხოვთ, დააჭირეთ აქ:
- გრაფენის წარმოება
- გრაფენის ნანოპლაკინები
- წყალზე დაფუძნებული გრაფენის ექსფოლიაცია
- წყალში დისპერსირებადი გრაფენი
- გრაფენის ოქსიდი
- ქსენები
| პარტიის მოცულობა | მოცულობითი ხარჯი | რეკომენდებული მოწყობილობები |
|---|---|---|
| 1-დან 500mL-მდე | 10-დან 200mL/min-მდე | UP100H |
| 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 | UIP4000hdT |
| n.a. | 10-დან 100L/min-მდე | UIP16000 |
| n.a. | უფრო დიდი | ჯგუფი UIP16000 |
დაგვიკავშირდით! / დაგვისვით!
Hielscher Ultrasonics აწარმოებს მაღალეფექტურ ულტრაბგერით ჰომოგენიზატორებს შერევის, დისპერსიის, ემულსიფიკაციისა და ექსტრაქციისთვის ლაბორატორიულ, საცდელ და ინდუსტრიულ მასშტაბებზე.
ლიტერატურა / რეფერენსები
- FactSheet: Ultrasonic Graphene Exfoliation and Dispersion – Hielscher Ultrasonics – english version
- FactSheet: Exfoliación y Dispersión de Grafeno por Ultrasonidos – Hielscher Ultrasonics – spanish version
- 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. 737-747.
(Available under a Creative Commons Attribution 4.0: CC BY-NC-ND 4.0. See full terms here.) - Štengl V., Henych J., Slušná M., Ecorchard P. (2014): Ultrasound exfoliation of inorganic analogues of graphene. Nanoscale Research Letters 9(1), 2014.
- 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.
- Bang, J. H.; Suslick, K. S. (2010): Applications of Ultrasound to the Synthesis of Nanostructured Materials. Advanced Materials 22/2010. pp. 1039-1059.
- Štengl, V.; Popelková, D.; Vlácil, P. (2011): TiO2-Graphene Nanocomposite as High Performance Photocatalysts. In: Journal of Physical Chemistry C 115/2011. pp. 25209-25218.
ფაქტები, რომლებიც ღირს ცოდნა
რა არის გრაფენი?
გრაფენი არის sp2-ჰიბრიდიზებული ნახშირბადის ატომების მონოშრე. გრაფენი გთავაზობთ უნიკალურ მასალის თვისებებს, როგორიცაა ექსტრემალურად დიდი კუთრი ზედაპირის ფართობი (2620 m2 g-1), უმაღლესი მექანიკური თვისებები 1 TPa იუნგის მოდულით და 130 GPa შიდა სიმტკიცით, ექსტრემალურად მაღალი ელექტრონული გამტარობა (ოთახის ტემპერატურაზე ელექტრონების მობილურობა 2,5 × 105 cm2 V-1 s-1), ძალიან მაღალი თბოგამტარობა (3000 W m-1), რათა დავსახელოთ ყველაზე მნიშვნელოვანი თვისებები. მისი უმაღლესი მასალის თვისებების გამო, გრაფენი ფართოდ გამოიყენება მაღალეფექტური ბატარეების, საწვავის ელემენტების, მზის ელემენტების, სუპერკონდენსატორების, წყალბადის საცავების, ელექტრომაგნიტური ფარებისა და ელექტრონული მოწყობილობების დამუშავებასა და წარმოებაში. გარდა ამისა, გრაფენი ჩაშენებულია ბევრ ნანოკომპოზიტში და კომპოზიტურ მასალებში, როგორც გამაგრებადი დანამატი, მაგ. პოლიმერებში, კერამიკასა და მეტალის მატრიცებში. მისი მაღალი გამტარობის გამო, გრაფენი არის მნიშვნელოვანი კომპონენტი გამტარ საღებავებსა და მელნებში.
დეფექტების გარეშე მყოფი გრაფენის სწრაფი და უსაფრთხო ულტრაბგერითი მომზადება დიდ მოცულობებზე დაბალ ღირებულებით საშუალებას იძლევა, გაფართოვდეს გრაფენის გამოყენების სფეროები უფრო და უფრო მეტ ინდუსტრიაში.
გრაფენი არის ნახშირბადის ერთი ატომის სისქის შრე, რომელიც შეიძლება აღიწეროს, როგორც გრაფენის ერთშრიანი ან 2D სტრუქტურა (ერთშრიანი გრაფენი = SLG). გრაფენს აქვს ექსტრემალურად დიდი კუთრი ზედაპირის ფართობი და უმაღლესი მექანიკური თვისებები (1 TPa იუნგის მოდული და 130 GPa საკუთარი სიმტკიცე), გამოირჩევა დიდი ელექტრონული და თბოგამტარობით, მუხტის მატარებლების მობილურობით, გამჭვირვალობით და გაზებისთვის შეუღწევადია. ამ მასალის თვისებების გამო, გრაფენი გამოიყენება, როგორც გამაგრებელი დანამატი, რათა მისცეს კომპოზიტებს სიმტკიცე, გამტარობა და ა.შ. იმისათვის, რომ გრაფენის თვისებები გაერთიანდეს სხვა მასალებთან, გრაფენი უნდა იქნას დისპერსირებული კომპაუნდში ან იქნას გამოყენებული, როგორც თხელი აპკის საფარი სუბსტრატზე.
მაღალეფექტური ულტრაბგერა! Hielscher-ის პროდუქციის სპექტრი მოიცავს სრულ დიაპაზონს კომპაქტური ლაბორატორიული ულტრაბგერითი აპარატიდან მაგიდის ტიპის დანადგარებამდე და სრულად ინდუსტრიულ ულტრაბგერით სისტემებამდე.