เกล็ดนาโนกราฟีนที่สังเคราะห์และกระจายตัวด้วยการใช้คลื่นอัลตราโซนิกแบบโพรบ

เกล็ดนาโนกราฟีน (GNPs) สามารถสังเคราะห์และทำให้กระจายตัวได้อย่างมีประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือสูงด้วยเครื่องอัลตราโซนิก การใช้คลื่นอัลตราโซนิกความเข้มสูงใช้เพื่อแยกชั้นกราไฟต์และให้ได้กราฟีนที่มีชั้นจำนวนน้อย ซึ่งมักเรียกว่าเกล็ดนาโนกราฟีน การใช้คลื่นอัลตราโซนิกยังให้ผลดีเยี่ยมในการทำให้เกล็ดนาโนกราฟีนกระจายอย่างดีเยี่ยมในสารแขวนลอยทั้งที่มีความหนืดต่ำและความหนืดสูง

การแปรรูปเกล็ดนาโนกราฟีน – ผลลัพธ์ที่เหนือกว่าด้วยการใช้คลื่นอัลตราโซนิก

สำหรับการแปรรูปเกล็ดนาโนกราฟีน เครื่องอัลตราโซนิกแบบโพรบเป็นเครื่องมือที่มีประสิทธิภาพสูงสุด เชื่อถือได้ และใช้งานง่าย เนื่องจากสามารถใช้คลื่นอัลตราโซนิกในการสังเคราะห์ การกระจายตัว และการเติมหมู่ฟังก์ชันให้เกล็ดนาโนกราฟีน เครื่องอัลตราโซนิกจึงใช้ในงานที่เกี่ยวข้องกับกราฟีนหลากหลายประเภท:

• การแยกชั้นและการสังเคราะห์ เครื่องอัลตราโซนิกแบบโพรบใช้เพื่อแยกชั้นกราไฟต์ให้เป็นกราฟีนที่มีชั้นจำนวนน้อยหรือเกล็ดนาโนกราฟีน คลื่นอัลตราโซนิกความเข้มสูงรบกวนแรงระหว่างชั้นและแยกกราไฟต์ออกเป็นแผ่นกราฟีนแต่ละแผ่นที่มีขนาดเล็กลง
• การกระจายตัว: การทำให้เกล็ดนาโนกราฟีนกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอในตัวกลางของเหลวมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการใช้งานทั้งหมดที่เกี่ยวข้องกับกราฟีน เครื่องอัลตราโซนิกแบบโพรบสามารถกระจายเกล็ดนาโนให้สม่ำเสมอทั่วของเหลว ป้องกันการเกาะกลุ่ม และทำให้ได้สารแขวนลอยที่มีเสถียรภาพ
• การเติมหมู่ฟังก์ชัน: การใช้คลื่นอัลตราโซนิกช่วยให้เติมหมู่ฟังก์ชันให้เกล็ดนาโนกราฟีนได้ง่ายขึ้น โดยส่งเสริมการยึดติดของหมู่ฟังก์ชันหรือโมเลกุลบนพื้นผิว การเติมหมู่ฟังก์ชันนี้ช่วยเพิ่มความเข้ากันได้กับพอลิเมอร์หรือวัสดุเฉพาะชนิด

การสังเคราะห์เกล็ดนาโนกราฟีนด้วยการใช้คลื่นอัลตราโซนิก

เกล็ดนาโนกราฟีนสามารถสังเคราะห์ได้ด้วยการแยกชั้นกราไฟต์โดยใช้คลื่นอัลตราโซนิกช่วย ดังนั้นจึงนำสารแขวนลอยกราไฟต์มาผ่านคลื่นอัลตราโซนิกด้วยเครื่องโฮโมจีไนเซอร์อัลตราโซนิกแบบโพรบ กระบวนการนี้ได้รับการทดสอบที่ความเข้มข้นของของแข็งตั้งแต่ต่ำมาก (เช่น 4wt% หรือต่ำกว่า) จนถึงสูง (เช่น 10wt% หรือสูงกว่า)
 
Ghanem และ Rehim (2018) รายงานการแยกชั้นกราไฟต์ในน้ำด้วยคลื่นอัลตราโซนิก โดยใช้ sodium dodecyl benzene sulfonate (SDS) ช่วยเพื่อเตรียมเกล็ดนาโนกราฟีนที่กระจายตัว การใช้เครื่องอัลตราโซนิกแบบโพรบ UP 100H ทำให้สามารถเตรียมกราฟีนที่มีชั้นจำนวนน้อยและปราศจากตำหนิ (>5) ได้สำเร็จ มีการใช้สารตั้งต้นดังต่อไปนี้: เตรียมแผ่นนาโนกราฟีนที่ผ่านการรีดิวซ์ด้วยวิธี Hummer และดำเนินการเพิ่มเติมอีกสองขั้นตอน ได้แก่ การออกซิไดซ์กราไฟต์ ตามด้วยการรีดิวซ์กราฟีนออกไซด์ ด้วยวิธีนี้จึงได้เกล็ดนาโนกราฟีนที่กระจายตัวในน้ำผ่านวิธีการกระจายตัวในตัวทำละลาย (ดูแผนภาพด้านล่าง) ชั้นกราไฟต์ถูกแยกด้วยคลื่นอัลตราโซนิกโดยใช้เครื่องอัลตราโซนิกแบบโพรบ UP100H (100 W) ละลาย SDS 0.25 g ในน้ำปราศจากไอออน 150 mL แล้วเติมกราไฟต์ 0.5 g นำสารละลายกราไฟต์มาผ่านคลื่นอัลตราโซนิกเป็นเวลา 12h ในอ่างน้ำแข็ง จากนั้นนำสารแขวนลอยไปปั่นเหวี่ยงที่ 686× g เป็นเวลา 30 min เพื่อกำจัดอนุภาคขนาดใหญ่ ทิ้งตะกอนและนำของเหลวส่วนใสไปปั่นเหวี่ยงอีกครั้งเป็นเวลา 90 min ที่ 12,600× g ล้างเกล็ดนาโนกราฟีนที่กระจายตัวที่ได้อย่างทั่วถึงหลายครั้งเพื่อกำจัดสารลดแรงตึงผิว สุดท้ายทำให้ผลิตภัณฑ์แห้งที่ 60ºC ภายใต้สุญญากาศ

ภาพจากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านความละเอียดสูงของแผ่นนาโนกราฟีนที่ได้
ด้วยการกระจายตัวในเฟสน้ำโดยใช้คลื่นอัลตราโซนิกช่วยและวิธี Hummer
(การศึกษาและภาพประกอบ: Ghanem และ Rehim, 2018)

แผ่นกราฟีนและเกล็ดนาโนกราฟีนแตกต่างกันอย่างไร?

แผ่นกราฟีนและเกล็ดนาโนกราฟีนต่างเป็นวัสดุนาโนที่ประกอบด้วยกราฟีน ซึ่งเป็นอะตอมคาร์บอนชั้นเดียวที่เรียงตัวเป็นโครงผลึกหกเหลี่ยม บางครั้งมีการใช้คำว่าแผ่นกราฟีนและเกล็ดนาโนกราฟีนแทนกัน แต่ในทางวิทยาศาสตร์ วัสดุนาโนกราฟีนเหล่านี้มีความแตกต่างกันบางประการ: ความแตกต่างหลักระหว่างแผ่นกราฟีนกับเกล็ดนาโนกราฟีนอยู่ที่โครงสร้างและความหนา แผ่นกราฟีนประกอบด้วยอะตอมคาร์บอนชั้นเดียวและบางเป็นพิเศษ ขณะที่เกล็ดนาโนกราฟีนหนากว่าและประกอบด้วยกราฟีนหลายชั้นซ้อนกัน ความแตกต่างด้านโครงสร้างเหล่านี้อาจส่งผลต่อสมบัติและความเหมาะสมสำหรับการใช้งานเฉพาะด้าน การใช้เครื่องอัลตราโซนิกแบบโพรบเป็นเทคนิคที่ให้ประสิทธิผลและประสิทธิภาพสูงในการสังเคราะห์ การกระจายตัว และการเติมหมู่ฟังก์ชันให้ทั้งแผ่นกราฟีนชั้นเดียวและเกล็ดนาโนกราฟีนที่มีชั้นจำนวนน้อยซ้อนกัน

ภาพประกอบแสดงการสังเคราะห์เกล็ดนาโนกราฟีนด้วยคลื่นอัลตราโซนิกโดยใช้เครื่องอัลตราโซนิก UP100H
(การศึกษาและภาพประกอบ: Ghanem และ Rehim, 2018)

การกระจายเกล็ดนาโนกราฟีนด้วยการใช้คลื่นอัลตราโซนิก

การกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอของเกล็ดนาโนกราฟีน (GNPs) มีความสำคัญอย่างยิ่งในการใช้งานหลายประเภท เนื่องจากส่งผลโดยตรงต่อสมบัติและประสิทธิภาพของวัสดุหรือผลิตภัณฑ์ที่ได้ ดังนั้นจึงมีการติดตั้งเครื่องอัลตราโซนิกเพื่อกระจายเกล็ดนาโนกราฟีนในอุตสาหกรรมต่าง ๆ อุตสาหกรรมต่อไปนี้เป็นตัวอย่างที่สำคัญของการใช้คลื่นอัลตราโซนิกกำลังสูง:
 

• วัสดุนาโนคอมโพสิต: เกล็ดนาโนกราฟีนสามารถนำไปผสมในวัสดุนาโนคอมโพสิตชนิดต่าง ๆ เช่น พอลิเมอร์ เพื่อปรับปรุงสมบัติทางกล ทางไฟฟ้า และทางความร้อน เครื่องอัลตราโซนิกแบบโพรบช่วยให้เกล็ดนาโนกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอภายในเมทริกซ์พอลิเมอร์ ส่งผลให้วัสดุมีประสิทธิภาพดีขึ้น
• ขั้วไฟฟ้าและแบตเตอรี่: เกล็ดนาโนกราฟีนใช้ในการพัฒนาขั้วไฟฟ้าประสิทธิภาพสูงสำหรับแบตเตอรี่และตัวเก็บประจุยิ่งยวด การใช้คลื่นอัลตราโซนิกช่วยสร้างวัสดุขั้วไฟฟ้าที่มีกราฟีนเป็นองค์ประกอบซึ่งกระจายตัวได้ดีและมีพื้นที่ผิวเพิ่มขึ้น ทำให้ความสามารถในการกักเก็บพลังงานดีขึ้น
• การเร่งปฏิกิริยา: การใช้คลื่นอัลตราโซนิกสามารถใช้เตรียมวัสดุตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีเกล็ดนาโนกราฟีนเป็นองค์ประกอบ การกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอของอนุภาคนาโนตัวเร่งปฏิกิริยาบนพื้นผิวกราฟีนสามารถเพิ่มความว่องไวในการเร่งปฏิกิริยาต่าง ๆ ได้
• เซนเซอร์: เกล็ดนาโนกราฟีนสามารถใช้ในการผลิตเซนเซอร์สำหรับการใช้งานหลากหลายประเภท รวมถึงการตรวจวัดก๊าซ การตรวจวัดทางชีวภาพ และการตรวจติดตามสิ่งแวดล้อม การใช้คลื่นอัลตราโซนิกทำให้เกล็ดนาโนกระจายอย่างสม่ำเสมอในวัสดุเซนเซอร์ ส่งผลให้ความไวและประสิทธิภาพดีขึ้น
• สารเคลือบและฟิล์ม: เครื่องอัลตราโซนิกแบบโพรบใช้เตรียมสารเคลือบและฟิล์มที่มีเกล็ดนาโนกราฟีนเป็นองค์ประกอบ สำหรับการใช้งานด้านอิเล็กทรอนิกส์ การบินและอวกาศ และสารเคลือบป้องกัน การกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอและการยึดเกาะกับวัสดุฐานอย่างเหมาะสมมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการใช้งานเหล่านี้
• การประยุกต์ใช้ทางชีวการแพทย์: ในการประยุกต์ใช้ทางชีวการแพทย์ เกล็ดนาโนกราฟีนสามารถใช้สำหรับการนำส่งยา การสร้างภาพ และวิศวกรรมเนื้อเยื่อ การใช้คลื่นอัลตราโซนิกช่วยในการเตรียมอนุภาคนาโนและวัสดุคอมโพสิตที่มีกราฟีนเป็นองค์ประกอบซึ่งใช้ในงานเหล่านี้

ภาพ SEM ของเกล็ดนาโนกราฟีนที่กำลังขยาย (b) X3000 และ (c) X8000
(การศึกษาและภาพ: ©Alizadeh และคณะ, 2018)

ผลลัพธ์ที่พิสูจน์ทางวิทยาศาสตร์แล้วสำหรับสารกระจายตัวของเกล็ดนาโนกราฟีนด้วยคลื่นอัลตราโซนิก

นักวิทยาศาสตร์ใช้เครื่องอัลตราโซนิก Hielscher ในการสังเคราะห์และกระจายเกล็ดนาโนกราฟีนในการศึกษาจำนวนมาก และทดสอบผลของการใช้คลื่นอัลตราโซนิกอย่างเข้มข้น ด้านล่างนี้เป็นตัวอย่างบางส่วนของการผสมเกล็ดนาโนกราฟีนลงในส่วนผสมต่าง ๆ ได้สำเร็จ เช่น สลาร์รีที่มีน้ำเป็นตัวกลาง เรซินอีพ็อกซี หรือมอร์ตาร์
 
ขั้นตอนที่ใช้กันทั่วไปในการกระจายเกล็ดนาโนกราฟีนอย่างเชื่อถือได้ รวดเร็ว และสม่ำเสมอ มีดังต่อไปนี้:
เพื่อให้เกิดการกระจายตัว เกล็ดนาโนกราฟีนถูกนำมาผ่านคลื่นอัลตราโซนิกในอะซีโตนบริสุทธิ์โดยใช้เครื่องผสมอัลตราโซนิก Hielscher UP400S เป็นเวลาเกือบหนึ่งชั่วโมง เพื่อป้องกันการเกาะกลุ่มของแผ่นกราฟีน อะซีโตนถูกกำจัดออกทั้งหมดด้วยการระเหย จากนั้นเติมเกล็ดนาโนกราฟีนในปริมาณ 1 wt % ของระบบอีพ็อกซี และนำมาผ่านคลื่นอัลตราโซนิกในเรซินอีพ็อกซีที่ 90W เป็นเวลา 15 นาที
(เทียบกับ Cakir และคณะ, 2016)
 
อีกการศึกษาหนึ่งศึกษาการเสริมสมรรถนะของของไหลนาโนที่มีของเหลวไอออนิกเป็นฐาน (ของไหลนาโนไอออนิก) โดยเติมเกล็ดนาโนกราฟีน เพื่อให้ได้การกระจายตัวที่เหนือกว่า ส่วนผสมของเกล็ดนาโนกราฟีน ของเหลวไอออนิก และ sodium dodecyl benzene sulfonate ถูกทำให้เป็นเนื้อเดียวกันด้วยเครื่องอัลตราโซนิกแบบโพรบ Hielscher UP200S เป็นเวลาประมาณ 90 min
(เทียบกับ Alizadeh และคณะ, 2018)

 
Tragazikis และคณะ (2019) รายงานการผสมเกล็ดนาโนกราฟีนลงในมอร์ตาร์ได้อย่างมีประสิทธิผล ดังนั้นจึงเตรียมสารแขวนลอยกราฟีนในน้ำโดยเติมเกล็ดนาโน – ในปริมาณน้ำหนักที่กำหนดตามปริมาณเป้าหมายที่ต้องการในวัสดุที่ได้ – ลงในส่วนผสมของน้ำประปาทั่วไปกับสารเพิ่มความเป็นพลาสติก แล้วกวนด้วยเครื่องกวนแม่เหล็กเป็นเวลา 2 min สารแขวนลอยถูกทำให้เป็นเนื้อเดียวกันด้วยคลื่นอัลตราโซนิกเป็นเวลา 90 min ที่อุณหภูมิห้อง โดยใช้เครื่อง Hielscher UP400S (Hielscher Ultrasonics GmbH) ที่ติดตั้งโซโนโทรดขนาด 22mm ซึ่งส่งพลังงานในอัตรา 4500 J/min ที่ความถี่ 24 kHz การจับคู่อัตราการส่งพลังงานและระยะเวลาการใช้คลื่นอัลตราโซนิกดังกล่าวได้รับการระบุว่าเหมาะสมที่สุด หลังจากศึกษาผลของพารามิเตอร์การใช้คลื่นอัลตราโซนิกต่อคุณภาพสารแขวนลอยอย่างละเอียดรอบคอบ
(เทียบกับ Tragazikis และคณะ, 2019)
 
Zainal และคณะ (2018) ระบุในงานวิจัยว่าเทคนิคการกระจายตัวที่เหมาะสม เช่น การใช้คลื่นอัลตราโซนิก ทำให้มั่นใจได้ว่าวัสดุนาโน เช่น เกล็ดนาโนกราฟีน สามารถปรับปรุงสมบัติของวัสดุเติมช่องว่างได้ ทั้งนี้เนื่องจากการกระจายตัวเป็นปัจจัยหนึ่งที่สำคัญที่สุดในการผลิตวัสดุนาโนคอมโพสิตคุณภาพสูง เช่น วัสดุเกราต์อีพ็อกซี

เครื่องอัลตราโซนิกประสิทธิภาพสูงสำหรับการแปรรูปเกล็ดนาโนกราฟีน

Hielscher Ultrasonics เป็นผู้นำตลาดด้านเครื่องอัลตราโซนิกประสิทธิภาพสูงสำหรับการแปรรูปวัสดุนาโน เครื่องอัลตราโซนิกแบบโพรบ Hielscher ใช้ในห้องปฏิบัติการและสถานประกอบการอุตสาหกรรมทั่วโลกสำหรับการใช้งานหลากหลายประเภท รวมถึงการแปรรูปเกล็ดนาโนกราฟีน
เทคโนโลยีที่ทันสมัยที่สุด ฝีมือการผลิตและวิศวกรรมของเยอรมนี ตลอดจนประสบการณ์ทางเทคนิคอันยาวนาน ทำให้ Hielscher Ultrasonics เป็นพันธมิตรที่คุณเลือกสำหรับการประยุกต์ใช้คลื่นอัลตราโซนิกให้ประสบความสำเร็จ

การออกแบบ การผลิต และการให้คำปรึกษา – คุณภาพที่ผลิตในเยอรมนี

เครื่องอัลตราโซนิก Hielscher เป็นที่รู้จักกันดีในด้านมาตรฐานคุณภาพและการออกแบบสูงสุด ความทนทานและการใช้งานง่ายช่วยให้สามารถผสานเครื่องอัลตราโซนิกของเราเข้ากับสถานประกอบการอุตสาหกรรมได้อย่างราบรื่น เครื่องอัลตราโซนิก Hielscher สามารถรับมือกับสภาวะที่รุนแรงและสภาพแวดล้อมที่ต้องการสมรรถนะสูงได้อย่างง่ายดาย

Hielscher Ultrasonics เป็นบริษัทที่ได้รับการรับรอง ISO และให้ความสำคัญเป็นพิเศษกับเครื่องอัลตราโซนิกประสิทธิภาพสูงที่ใช้เทคโนโลยีที่ทันสมัยที่สุดและใช้งานสะดวก แน่นอนว่าเครื่องอัลตราโซนิก Hielscher เป็นไปตามข้อกำหนด CE และตรงตามข้อกำหนดของ UL, CSA และ RoHs

ตารางด้านล่างแสดงขีดความสามารถในการแปรรูปโดยประมาณของเครื่องอัลตราโซนิกของเรา: