กราฟีนออกไซด์ – การขัดผิวอัลตราโซนิกและการกระจายตัว
การขัดผิวด้วยอัลตราโซนิกเป็นเทคนิคที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตกราฟีนออกไซด์โดยการสลายกราไฟท์ออกไซด์ออกเป็นแผ่นกราฟีนบาง ๆ ชั้นเดียวหรือไม่กี่ชั้น เครื่องสะท้อนเสียง Hielscher สร้างโพรงอากาศอะคูสติกที่เข้มข้นซึ่งคลื่นอัลตราโซนิกที่มีพลังงานหนาแน่นจะสร้างไมโครบับเบิ้ลพลังงานสูงในตัวกลางที่เป็นของเหลว ฟองอากาศที่ยุบตัวเหล่านี้สร้างแรงเฉือนที่แยกชั้นกราไฟท์ออกไซด์ ใช้ประโยชน์จากอัลตราโซนิกประสิทธิภาพสูงเพื่อยกระดับแอปพลิเคชันที่ใช้กราฟีนออกไซด์ของคุณไปอีกขั้น!
การขัดผิวอัลตราโซนิกของกราฟีนออกไซด์
กราฟีนออกไซด์ละลายน้ําได้แอมฟิฟิลิกปลอดสารพิษย่อยสลายได้ทางชีวภาพและสามารถกระจายตัวเป็นคอลลอยด์ที่เสถียรได้ง่าย การขัดผิวและการกระจายตัวด้วยอัลตราโซนิกเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพรวดเร็วและคุ้มค่าในการสังเคราะห์กระจายและทํางานกราฟีนออกไซด์ในระดับอุตสาหกรรม ในการแปรรูปปลายน้ําเครื่องกระจายอัลตราโซนิกจะผลิตคอมโพสิตกราฟีนออกไซด์-พอลิเมอร์ประสิทธิภาพสูง
ข้อดีของการขัดผิวด้วยอัลตราโซนิก
การขัดผิวด้วยอัลตราโซนิกมีข้อดีหลายประการ รวมถึงความเรียบง่าย ความสามารถในการปรับขนาด และความเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม เนื่องจากโดยทั่วไปแล้วไม่จําเป็นต้องใช้สารเคมีที่รุนแรงหรือการประมวลผลที่ซับซ้อน นอกจากนี้ยังช่วยให้สามารถควบคุมขนาดและความหนาของแผ่นนาโนกราฟีนออกไซด์ได้อย่างแม่นยํา ซึ่งมีความสําคัญต่อการปรับแต่งคุณสมบัติในการใช้งานต่างๆ
เครื่องสะท้อนเสียงอุตสาหกรรม UIP16000hdT สําหรับการขัดผิวกราฟีนออกไซด์ที่ปริมาณงานสูง
โปรโตคอล: การขัดผิวอัลตราโซนิกของกราฟีนออกไซด์
ในการควบคุมขนาดของแผ่นนาโนกราฟีนออกไซด์ (GO) วิธีการขัดผิวมีบทบาทสําคัญ เนื่องจากพารามิเตอร์กระบวนการที่ควบคุมได้อย่างแม่นยําการขัดผิวด้วยอัลตราโซนิกจึงเป็นเทคนิคการหลุดลอกที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุดสําหรับการผลิตกราฟีนและกราฟีนออกไซด์คุณภาพสูง
สําหรับการขัดผิวด้วยอัลตราโซนิกของกราฟีนออกไซด์จากกราไฟท์ออกไซด์มีโปรโตคอลต่างๆ ค้นหาโปรโตคอลที่เป็นแบบอย่างสําหรับการขัดผิวกราฟีนออกไซด์อัลตราโซนิกด้านล่าง:
ผงกราไฟท์ออกไซด์ผสมใน KOH ในน้ําที่มีค่า pH 10 สําหรับการขัดผิวและการกระจายตัวในภายหลังจะใช้เครื่องอัลตราโซนิกชนิดโพรบ UP200St (200W) หลังจากนั้นไอออน K+ จะติดอยู่กับระนาบฐานของกราฟีนเพื่อกระตุ้นให้เกิดกระบวนการชรา การเสื่อมสภาพทําได้ภายใต้การระเหยแบบหมุน (2 ชั่วโมง) เพื่อขจัดไอออน K + ที่มากเกินไปผงจะถูกล้างและหมุนเหวี่ยงหลายครั้ง
ส่วนผสมที่ได้จะถูกหมุนเหวี่ยงและแช่แข็งแห้งเพื่อให้ผงกราฟีนออกไซด์ที่กระจายตัวได้ตกตะกอน
การเตรียมกราฟีนออกไซด์ที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า: ผงกราฟีนออกไซด์สามารถกระจายตัวในไดเมทิลฟอร์มาไมด์ (DMF) ภายใต้การ sonication เพื่อผลิตแป้งที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า (Han et al.2014)
กลไกการขัดผิวกราฟีนออกไซด์อัลตราโซนิก
(ภาพ: Potts et al. 2011)
การทํางานอัลตราโซนิกของกราฟีนออกไซด์
Sonication ประสบความสําเร็จในการรวมกราฟีนออกไซด์ (GO) เข้ากับโพลีเมอร์และคอมโพสิต
ตัว อย่าง เช่น:
- คอมโพสิตไมโครสเฟียร์กราฟีนออกไซด์ - TiO2
- คอมโพสิตโพลีสไตรีน - แมกนีไทต์ - กราฟีนออกไซด์ (โครงสร้างแกน - เปลือก)
- โพลีสไตรีนลดทอนกราฟีนออกไซด์คอมโพสิต
- โพลีอะนิลีนนาโนไฟเบอร์เคลือบโพลีสไตรีน / กราฟีนออกไซด์ (PANI-PS / GO) คอมโพสิตเปลือกหลัก
- กราฟีนออกไซด์โพลีสไตรีนแทรก
- P-Phenylenediamine-4vinylbenzen-polystyrene modified graphene oxide
เครื่องอัลตราโซนิก UP400St สําหรับการเตรียมการกระจายตัวของนาโนเกล็ดเลือดกราฟีน
การประยุกต์ใช้กราฟีนออกไซด์ที่ผลิตโดยการขัดผิวด้วยอัลตราโซนิก
กราฟีนออกไซด์ที่ผลิตผ่านการขัดผิวด้วยอัลตราโซนิกมีการใช้งานอย่างกว้างขวางในหลากหลายสาขา ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จะใช้ในฟิล์มและเซ็นเซอร์นําไฟฟ้าที่มีความยืดหยุ่น ในการจัดเก็บพลังงานจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของแบตเตอรี่และซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ คุณสมบัติต้านเชื้อแบคทีเรียของกราฟีนออกไซด์ทําให้มีคุณค่าในการใช้งานทางชีวการแพทย์ในขณะที่พื้นที่ผิวสูงและกลุ่มฟังก์ชันเป็นประโยชน์ในการเร่งปฏิกิริยาและการฟื้นฟูสิ่งแวดล้อม โดยรวมแล้วการขัดผิวด้วยอัลตราโซนิกช่วยอํานวยความสะดวกในการผลิตกราฟีนออกไซด์คุณภาพสูงอย่างมีประสิทธิภาพเพื่อใช้ในเทคโนโลยีที่ทันสมัย
เครื่องโซนิคเตอร์สําหรับการแปรรูปกราฟีนและกราฟีนออกไซด์
Hielscher Ultrasonics นําเสนอระบบอัลตราโซนิกกําลังสูงสําหรับการขัดผิวการกระจายตัวและการแปรรูปกราฟีนและกราฟีนออกไซด์ โปรเซสเซอร์อัลตราโซนิกที่เชื่อถือได้และเครื่องปฏิกรณ์ที่ซับซ้อนให้การควบคุมที่แม่นยําทําให้สามารถปรับแต่งกระบวนการอัลตราโซนิกได้ตามเป้าหมายที่ต้องการ
พารามิเตอร์ที่สําคัญประการหนึ่งคือแอมพลิจูดอัลตราโซนิกซึ่งกําหนดการขยายตัวและการหดตัวของการสั่นสะเทือนของโพรบอัลตราโซนิก เครื่องอัลตราโซนิกอุตสาหกรรม Hielscher ให้แอมพลิจูดสูงถึง 200μm ทํางานอย่างต่อเนื่องตลอด 24 ชั่วโมงทุกวัน สําหรับแอมพลิจูดที่สูงขึ้นมีโพรบอัลตราโซนิกแบบกําหนดเอง โปรเซสเซอร์ทั้งหมดสามารถปรับได้อย่างแม่นยําตามสภาวะของกระบวนการและตรวจสอบผ่านซอฟต์แวร์ในตัว เพื่อให้มั่นใจถึงความน่าเชื่อถือ คุณภาพที่สม่ําเสมอ และผลลัพธ์ที่ทําซ้ําได้
เครื่องสะท้อนเสียงของ Hielscher มีความทนทานและสามารถทํางานได้อย่างต่อเนื่องในสภาพแวดล้อมที่หนักหน่วงทําให้ sonication เป็นเทคโนโลยีการผลิตที่ต้องการสําหรับการเตรียมวัสดุกราฟีนขนาดใหญ่กราฟีนออกไซด์และกราไฟต์
เครื่องอัลตราโซนิกและอุปกรณ์เสริมที่หลากหลายรวมถึงเครื่องปฏิกรณ์และเครื่องปฏิกรณ์ที่มีขนาดและรูปทรงต่างๆช่วยให้สามารถเลือกสภาวะและปัจจัยปฏิกิริยาที่เหมาะสมที่สุดเช่นรีเอเจนต์อินพุตพลังงานอัลตราโซนิกความดันอุณหภูมิและอัตราการไหลเพื่อให้ได้คุณภาพสูงสุด เครื่องปฏิกรณ์อัลตราโซนิกของ Hielscher สามารถเพิ่มแรงดันได้ถึงหลายร้อยบาร์กทําให้สามารถ sonication ของแป้งที่มีความหนืดสูงที่มีความหนืดเกิน 250,000 เซนติปอยส์
การหลุดลอกอัลตราโซนิกและการขัดผิวเป็นเลิศเทคนิคทั่วไปเนื่องจากปัจจัยเหล่านี้
- พลังงานสูง
- แรงเฉือนสูง
- แรงดันสูงที่ใช้ได้
- การควบคุมที่แม่นยํา
- ความสามารถในการปรับขนาดที่ราบรื่น (เชิงเส้น)
- แบทช์และต่อเนื่อง
- ผลลัพธ์ที่ทําซ้ําได้
- ความน่าเชื่อถือ
- กําลังกาย
- ประสิทธิภาพการใช้พลังงานสูง
ระบบอัลตราโซนิกสําหรับการขัดผิวกราฟีนออกไซด์
หากต้องการเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับการสังเคราะห์กราฟีนอัลตราโซนิกการกระจายตัวและการทํางานโปรดคลิกที่นี่:
- การผลิตกราฟีน
- กราฟีนนาโนเกล็ดเลือด
- การขัดผิวกราฟีนสูตรน้ํา
- กราฟีนกระจายตัวในน้ํา
- กราฟีนออกไซด์
- ซีเนส
ข้อเท็จจริงที่ควรค่าแก่การรู้
อัลตราซาวนด์และ Cavitation: กราไฟท์ขัดผิวเป็นกราฟีนออกไซด์โดยใช้ Sonication อย่างไร?
การขัดผิวด้วยอัลตราโซนิกของกราไฟท์ออกไซด์ (GrO) ขึ้นอยู่กับแรงเฉือนสูงที่เกิดจากโพรงอากาศอะคูสติก โพรงอากาศอะคูสติกเกิดขึ้นเนื่องจากวงจรความดันสูง / ความดันต่ําสลับกันซึ่งเกิดจากการมีเพศสัมพันธ์ของคลื่นอัลตราซาวนด์อันทรงพลังในของเหลว ในระหว่างรอบความดันต่ําจะเกิดช่องว่างขนาดเล็กมากหรือฟองอากาศสูญญากาศซึ่งเติบโตขึ้นตามรอบความดันต่ําสลับกัน เมื่อฟองสูญญากาศมีขนาดที่ไม่สามารถดูดซับพลังงานได้มากขึ้นฟองอากาศจะยุบตัวลงอย่างรุนแรงในระหว่างวงจรความดันสูง การระเบิดของฟองส่งผลให้เกิดแรงเฉือนโพรงอากาศและคลื่นความเครียดอุณหภูมิสูงถึง 6000K อัตราการระบายความร้อนที่รุนแรงสูงกว่า 1010K / s แรงดันสูงมากถึง 2000atm ความแตกต่างของแรงดันสูงรวมถึงไอพ่นของเหลวที่สูงถึง 1000 กม./ชม. (∼280m/s)
แรงที่รุนแรงเหล่านั้นส่งผลต่อกองกราไฟท์ ซึ่งถูกแยกออกเป็นกราฟีนออกไซด์ชั้นเดียวหรือไม่กี่ชั้นและแผ่นนาโนกราฟีนที่บริสุทธิ์
กราฟีนออกไซด์คืออะไร?
กราฟีนออกไซด์ (GO) ถูกสังเคราะห์โดยการขัดผิวกราไฟท์ออกไซด์ (GrO) ในขณะที่กราไฟท์ออกไซด์เป็นวัสดุ 3 มิติที่ประกอบด้วยชั้นกราฟีนหลายล้านชั้นที่มีออกซิเจนแทรกซ้อน แต่กราฟีนออกไซด์เป็นกราฟีนชั้นเดียวหรือไม่กี่ชั้นที่มีออกซิเจนทั้งสองด้าน
กราฟีนออกไซด์และกราฟีนแตกต่างกันในลักษณะดังต่อไปนี้: กราฟีนออกไซด์มีขั้วในขณะที่กราฟีนไม่มีขั้ว กราฟีนออกไซด์เป็นสารที่ชอบน้ํา ในขณะที่กราฟีนไม่ชอบน้ํา
ซึ่งหมายความว่ากราฟีนออกไซด์ละลายน้ําได้แอมฟิฟิลิกปลอดสารพิษย่อยสลายได้ทางชีวภาพและสร้างสารแขวนลอยคอลลอยด์ที่เสถียร พื้นผิวของกราฟีนออกไซด์ประกอบด้วยกลุ่มอีพ็อกซี่ไฮดรอกซิลและคาร์บอกซิลซึ่งสามารถทําปฏิกิริยากับไอออนบวกและแอนไอออนได้ เนื่องจากโครงสร้างไฮบริดอินทรีย์-อนินทรีย์ที่เป็นเอกลักษณ์และคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยมคอมโพสิต GO-พอลิเมอร์จึงมีศักยภาพสูงสําหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมแบบท่อร่วม (Tolasz et al. 2014)
ลดกราฟีนออกไซด์คืออะไร?
กราฟีนออกไซด์ที่ลดลง (rGO) ผลิตโดยการลดอัลตราโซนิกเคมีหรือการลดความร้อนของกราฟีนออกไซด์ ในระหว่างขั้นตอนการลดฟังก์ชันออกซิเจนส่วนใหญ่ของกราฟีนออกไซด์จะถูกลบออกเพื่อให้กราฟีนออกไซด์ที่ลดลง (rGO) ที่ลดลงมีลักษณะคล้ายกับกราฟีนที่บริสุทธิ์มาก อย่างไรก็ตาม กราฟีนออกไซด์ที่ลดลง (rGO) ไม่ได้ปราศจากข้อบกพร่องและบริสุทธิ์เหมือนกราฟีนบริสุทธิ์
วรรณกรรม/อ้างอิง
- FactSheet: Ultrasonic Graphene Exfoliation and Dispersion – Hielscher Ultrasonics – english version
- FactSheet: Exfoliación y Dispersión de Grafeno por Ultrasonidos – Hielscher Ultrasonics – spanish version
- Gouvea R.A., Konrath Jr L.G., Cava S., Carreno N.L.V., Goncalves M.R.F. (2011): Synthesis of nanometric graphene oxide and its effects when added in MgAl2O4 ceramic. 10th SPBMat Brazil.
- Kamisan A.I., Zainuddin L.W., Kamisan A.S., Kudin T.I.T., Hassan O.H., Abdul Halim N., Yahya M.Z.A. (2016): Ultrasonic Assisted Synthesis of Reduced Graphene Oxide in Glucose Solution. Key Engineering Materials Vol. 708, 2016. 25-29.
- Štengl V., Henych J., Slušná M., Ecorchard P. (2014): Ultrasound exfoliation of inorganic analogues of graphene. Nanoscale Research Letters 9(1), 2014.
- Štengl, V. (2012): Preparation of Graphene by Using an Intense Cavitation Field in a Pressurized Ultrasonic Reactor. Chemistry – A European Journal 18(44), 2012. 14047-14054.
- Tolasz J., Štengl V., Ecorchard P. (2014): The Preparation of Composite Material of Graphene Oxide–Polystyrene. 3rd International Conference on Environment, Chemistry and Biology IPCBEE vol.78, 2014.
- Potts J. R., Dreyer D. R., Bielawski Ch. W., Ruoff R.S (2011): Graphene-based polymer nanocomposites. Polymer Vol. 52, Issue 1, 2011. 5–25.