กราฟีนออกไซด์ – การลอกชั้นและการกระจายตัวด้วยอัลตราโซนิก

การลอกชั้นด้วยอัลตราโซนิกเป็นเทคนิคที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตกราฟีนออกไซด์ โดยแยกกราไฟต์ออกไซด์ออกเป็นแผ่นกราฟีนบางที่มีชั้นเดียวหรือไม่กี่ชั้น เครื่องโซนิเคเตอร์ของ Hielscher สร้างคาวิเทชันทางเสียงที่รุนแรง โดยคลื่นอัลตราโซนิกที่มีความหนาแน่นพลังงานสูงทำให้เกิดฟองขนาดจิ๋วที่มีพลังงานสูงในตัวกลางของเหลว ฟองเหล่านี้เมื่อยุบตัวจะสร้างแรงเฉือนที่แยกชั้นกราไฟต์ออกไซด์ออกจากกัน ทำให้ลอกชั้นเป็นแผ่นนาโนกราฟีนออกไซด์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ใช้ประโยชน์จากเทคโนโลยีอัลตราโซนิกสมรรถนะสูงเพื่อยกระดับการประยุกต์ใช้งานกราฟีนออกไซด์ของคุณ!

การลอกชั้นกราฟีนออกไซด์ด้วยอัลตราโซนิก

กราฟีนออกไซด์ละลายน้ำได้ มีสมบัติชอบทั้งน้ำและไขมัน ไม่เป็นพิษ ย่อยสลายทางชีวภาพได้ และสามารถกระจายตัวเป็นคอลลอยด์ที่เสถียรได้ง่าย การลอกชั้นและการกระจายตัวด้วยอัลตราโซนิกเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพสูงมาก รวดเร็ว และคุ้มค่าในการสังเคราะห์ กระจายตัว และปรับหมู่ฟังก์ชันของกราฟีนออกไซด์ในระดับอุตสาหกรรม ในกระบวนการขั้นปลาย เครื่องกระจายตัวด้วยอัลตราโซนิกใช้ผลิตวัสดุคอมโพสิตกราฟีนออกไซด์–พอลิเมอร์สมรรถนะสูง

ข้อดีของการลอกชั้นด้วยอัลตราโซนิก

การลอกชั้นด้วยอัลตราโซนิกมีข้อดีหลายประการ ได้แก่ ความเรียบง่าย ความสามารถในการขยายขนาดการผลิต และความเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม เนื่องจากโดยทั่วไปไม่จำเป็นต้องใช้สารเคมีที่มีฤทธิ์รุนแรงหรือกระบวนการที่ซับซ้อน นอกจากนี้ ยังช่วยให้ควบคุมขนาดและความหนาของแผ่นนาโนกราฟีนออกไซด์ได้อย่างแม่นยำ ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการปรับสมบัติของแผ่นนาโนสำหรับการประยุกต์ใช้งานต่าง ๆ

วิดีโอนี้แสดงการผสมและกระจายกราไฟต์ในอีพอกซีเรซิน (Toolcraft L) ปริมาตร 250mL ด้วยเครื่องโฮโมจีไนเซอร์อัลตราโซนิก (UP400St, Hielscher Ultrasonics) Hielscher Ultrasonics ผลิตอุปกรณ์สำหรับกระจายกราไฟต์ กราฟีน ท่อนาโนคาร์บอน ลวดนาโน หรือสารตัวเติมในห้องปฏิบัติการหรือกระบวนการผลิตปริมาณมาก การใช้งานทั่วไป ได้แก่ การกระจายวัสดุนาโนและวัสดุระดับไมโครระหว่างกระบวนการปรับหมู่ฟังก์ชัน หรือการกระจายวัสดุเหล่านี้ในเรซินหรือพอลิเมอร์

ขั้นตอนปฏิบัติ: การลอกชั้นกราฟีนออกไซด์ด้วยอัลตราโซนิก

วิธีการลอกชั้นเป็นปัจจัยสำคัญในการควบคุมขนาดของแผ่นนาโนกราฟีนออกไซด์ (GO) เนื่องจากสามารถควบคุมพารามิเตอร์ของกระบวนการได้อย่างแม่นยำ การลอกชั้นด้วยอัลตราโซนิกจึงเป็นเทคนิคการแยกชั้นที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในการผลิตกราฟีนและกราฟีนออกไซด์คุณภาพสูง
มีขั้นตอนปฏิบัติหลายแบบสำหรับการลอกชั้นกราฟีนออกไซด์จากกราไฟต์ออกไซด์ด้วยอัลตราโซนิก ตัวอย่างขั้นตอนปฏิบัติสำหรับการลอกชั้นกราฟีนออกไซด์ด้วยอัลตราโซนิกมีดังต่อไปนี้:
ผสมผงกราไฟต์ออกไซด์ในสารละลาย KOH ในน้ำที่มีค่า pH 10 ใช้เครื่องอัลตราโซนิกแบบโพรบ UP200St (200W) สำหรับการลอกชั้นและการกระจายตัวในขั้นถัดไป หลังจากนั้น ให้ไอออน K+ ยึดติดบนระนาบฐานของกราฟีนเพื่อเหนี่ยวนำกระบวนการบ่ม การบ่มดำเนินการภายใต้การระเหยแบบหมุน (2 h) เพื่อกำจัดไอออน K+ ส่วนเกิน ให้ล้างและปั่นเหวี่ยงผงหลายครั้ง
นำส่วนผสมที่ได้ไปปั่นเหวี่ยงและทำแห้งแบบแช่เยือกแข็ง เพื่อให้ผงกราฟีนออกไซด์ที่สามารถกระจายตัวได้ตกตะกอน
การเตรียมเพสต์กราฟีนออกไซด์ที่นำไฟฟ้า: สามารถกระจายผงกราฟีนออกไซด์ใน dimethylformamide (DMF) โดยใช้การโซนิเคชันเพื่อผลิตเพสต์ที่นำไฟฟ้า (Han et al.2014)

การลอกชั้นด้วยอัลตราโซนิกใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตแผ่นนาโนกราฟีนและกราฟีนออกไซด์ ระบบอัลตราโซนิกของ Hielscher แสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพสูงมาก ความคุ้มค่า และความรวดเร็วในฐานะเทคนิคการสังเคราะห์กราฟีน โดยใช้กับกระแสการไหลของสารแขวนลอยปริมาณมากและใช้ในการผลิตกราฟีนในปริมาณมาก
ที่มาของภาพ: Potts J. R., Dreyer D. R., Bielawski Ch. W., Ruoff R.S (2011): นาโนคอมโพสิตพอลิเมอร์ที่มีกราฟีนเป็นองค์ประกอบหลัก. Polymer เล่ม 52, ฉบับที่ 1, 2011. 5–25.

กลไกการลอกชั้นกราฟีนออกไซด์ด้วยอัลตราโซนิก
(ภาพ: Potts et al. 2011)

การปรับหมู่ฟังก์ชันของกราฟีนออกไซด์ด้วยอัลตราโซนิก

มีการใช้การโซนิเคชันอย่างประสบความสำเร็จในการนำกราฟีนออกไซด์ (GO) เข้าไปผสมในพอลิเมอร์และวัสดุคอมโพสิต
ตัวอย่าง:

วัสดุคอมโพสิตไมโครสเฟียร์กราฟีนออกไซด์–TiO2
วัสดุคอมโพสิตพอลิสไตรีน–แมกนีไทต์–กราฟีนออกไซด์ (โครงสร้างแกน–เปลือก)
วัสดุคอมโพสิตพอลิสไตรีนกับกราฟีนออกไซด์ที่ผ่านการรีดิวซ์
วัสดุคอมโพสิตแกน–เปลือกพอลิสไตรีน/กราฟีนออกไซด์ที่เคลือบด้วยเส้นใยนาโนพอลิอะนิลีน (PANI-PS/GO)
กราฟีนออกไซด์ที่มีพอลิสไตรีนแทรกระหว่างชั้น
กราฟีนออกไซด์ที่ดัดแปรด้วย p-phenylenediamine-4vinylbenzen-polystyrene

การประยุกต์ใช้กราฟีนออกไซด์ที่ผลิตโดยการลอกชั้นด้วยอัลตราโซนิก

กราฟีนออกไซด์ที่ผลิตโดยการลอกชั้นด้วยอัลตราโซนิกมีการประยุกต์ใช้อย่างกว้างขวางในหลากหลายสาขา ในด้านอิเล็กทรอนิกส์ ใช้ในฟิล์มนำไฟฟ้าที่ยืดหยุ่นและเซนเซอร์ ในด้านการกักเก็บพลังงาน ช่วยเพิ่มสมรรถนะของแบตเตอรี่และตัวเก็บประจุยิ่งยวด สมบัติต้านแบคทีเรียของกราฟีนออกไซด์ทำให้มีคุณค่าสำหรับการประยุกต์ใช้ทางชีวการแพทย์ ขณะที่พื้นที่ผิวสูงและหมู่ฟังก์ชันเป็นประโยชน์ต่อการเร่งปฏิกิริยาและการฟื้นฟูสิ่งแวดล้อม โดยรวมแล้ว การลอกชั้นด้วยอัลตราโซนิกช่วยให้ผลิตกราฟีนออกไซด์คุณภาพสูงได้อย่างมีประสิทธิภาพสำหรับใช้ในเทคโนโลยีล้ำสมัย

เรียนรู้วิธีผลิตกราฟีนชั้นเดียวคุณภาพสูงด้วยการแยกชั้นโดยใช้อัลตราโซนิกจากเครื่องโซนิเคเตอร์แบบโพรบกำลังสูง โซนิเคชันเป็นวิธีที่ง่าย มีประสิทธิภาพ และขยายขนาดการผลิตได้ สำหรับผลิตสารกระจายตัวของกราฟีนที่ให้ผลผลิตสูงและมีคุณภาพแผ่นดีเยี่ยม

เครื่องโซนิเคเตอร์สำหรับการแปรรูปกราฟีนและกราฟีนออกไซด์

Hielscher Ultrasonics มีระบบอัลตราโซนิกกำลังสูงสำหรับการลอกชั้น การกระจายตัว และการแปรรูปกราฟีนและกราฟีนออกไซด์ เครื่องประมวลผลด้วยอัลตราโซนิกที่เชื่อถือได้และเครื่องปฏิกรณ์ที่มีความซับซ้อนทางเทคโนโลยีช่วยให้ควบคุมได้อย่างแม่นยำ จึงสามารถปรับกระบวนการอัลตราโซนิกให้ตรงตามเป้าหมายที่ต้องการได้
พารามิเตอร์สำคัญอย่างหนึ่งคือแอมพลิจูดอัลตราโซนิก ซึ่งกำหนดการขยายและหดตัวจากการสั่นของโพรบอัลตราโซนิก เครื่องอัลตราโซนิกระดับอุตสาหกรรมของ Hielscher ให้แอมพลิจูดสูงถึง 200µm และทำงานอย่างต่อเนื่องได้ในรูปแบบ 24/7 สำหรับแอมพลิจูดที่สูงยิ่งขึ้น มีโพรบอัลตราโซนิกที่ออกแบบตามความต้องการให้เลือกใช้ เครื่องประมวลผลทุกเครื่องสามารถปรับให้เข้ากับสภาวะของกระบวนการได้อย่างแม่นยำและตรวจติดตามผ่านซอฟต์แวร์ในตัว เพื่อให้มั่นใจได้ถึงความน่าเชื่อถือ คุณภาพที่สม่ำเสมอ และผลลัพธ์ที่ทำซ้ำได้
เครื่องโซนิเคเตอร์ของ Hielscher มีความทนทานและสามารถทำงานอย่างต่อเนื่องในสภาพแวดล้อมการใช้งานหนัก ทำให้การโซนิเคชันเป็นเทคโนโลยีการผลิตที่นิยมเลือกใช้สำหรับการเตรียมกราฟีน กราฟีนออกไซด์ และวัสดุกราไฟต์ในปริมาณมาก
เครื่องอัลตราโซนิกและอุปกรณ์เสริมที่มีให้เลือกหลากหลาย รวมถึงโซโนโทรดและเครื่องปฏิกรณ์ที่มีขนาดและรูปทรงต่าง ๆ ช่วยให้เลือกสภาวะและปัจจัยของปฏิกิริยาที่เหมาะสมที่สุด เช่น สารที่ใช้ทำปฏิกิริยา พลังงานอัลตราโซนิกที่ป้อนเข้าสู่กระบวนการ ความดัน อุณหภูมิ และอัตราการไหล เพื่อให้ได้คุณภาพสูงที่สุด เครื่องปฏิกรณ์อัลตราโซนิกของ Hielscher ยังสามารถเพิ่มความดันได้สูงถึงหลายร้อย barg ทำให้สามารถโซนิเคชันเพสต์ที่มีความหนืดสูงมาก โดยมีความหนืดเกิน 250,000 เซนติพอยส์ได้
ปัจจัยเหล่านี้ทำให้การแยกชั้นและการลอกชั้นด้วยอัลตราโซนิกมีประสิทธิภาพเหนือกว่าเทคนิคแบบดั้งเดิม

หากต้องการเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับการสังเคราะห์ การกระจายตัว และการปรับหมู่ฟังก์ชันของกราฟีนด้วยอัลตราโซนิก โปรดคลิกที่นี่:

ข้อเท็จจริงที่ควรรู้

อัลตราซาวนด์และคาวิเทชัน: การโซนิเคชันลอกชั้นกราไฟต์ให้เป็นกราฟีนออกไซด์ได้อย่างไร?

การลอกชั้นกราไฟต์ออกไซด์ (GrO) ด้วยอัลตราโซนิกอาศัยแรงเฉือนสูงที่เกิดจากคาวิเทชันทางเสียง คาวิเทชันทางเสียงเกิดจากวัฏจักรความดันสูง / ความดันต่ำที่สลับกัน ซึ่งเกิดจากการถ่ายเทพลังงานของคลื่นอัลตราซาวนด์กำลังสูงเข้าสู่ของเหลว ในช่วงวัฏจักรความดันต่ำ จะเกิดช่องว่างหรือฟองสุญญากาศขนาดเล็กมาก ซึ่งเติบโตขึ้นในแต่ละช่วงความดันต่ำของวัฏจักรที่สลับกัน เมื่อฟองสุญญากาศมีขนาดที่ไม่สามารถดูดซับพลังงานเพิ่มได้อีก ฟองจะยุบตัวอย่างรุนแรงในช่วงวัฏจักรความดันสูง การยุบตัวเข้าด้านในของฟองทำให้เกิดแรงเฉือนจากคาวิเทชันและคลื่นความเค้น อุณหภูมิสูงมากถึง 6000K อัตราการเย็นตัวสูงมากกว่า 10¹⁰K/s ความดันสูงมากถึง 2000atm ความต่างความดันอย่างรุนแรง ตลอดจนลำเจ็ตของเหลวที่มีความเร็วสูงถึง 1000km/h (∼280m/s)
แรงที่รุนแรงเหล่านี้ส่งผลต่อชั้นกราไฟต์ที่ซ้อนกัน ทำให้แยกชั้นออกเป็นกราฟีนออกไซด์ชั้นเดียวหรือไม่กี่ชั้น และแผ่นนาโนกราฟีนบริสุทธิ์ที่ไม่ผ่านการดัดแปร

กราฟีนออกไซด์คืออะไร?

กราฟีนออกไซด์ (GO) สังเคราะห์โดยการลอกชั้นกราไฟต์ออกไซด์ (GrO) กราไฟต์ออกไซด์เป็นวัสดุ 3 มิติที่ประกอบด้วยชั้นกราฟีนหลายล้านชั้นซึ่งมีออกซิเจนแทรกอยู่ระหว่างชั้น ขณะที่กราฟีนออกไซด์เป็นกราฟีนชั้นเดียวหรือไม่กี่ชั้นที่มีออกซิเจนอยู่บนทั้งสองด้าน
กราฟีนออกไซด์และกราฟีนมีลักษณะแตกต่างกันดังนี้: กราฟีนออกไซด์มีขั้ว ขณะที่กราฟีนไม่มีขั้ว กราฟีนออกไซด์ชอบน้ำ ขณะที่กราฟีนไม่ชอบน้ำ
นั่นหมายความว่ากราฟีนออกไซด์ละลายน้ำได้ มีสมบัติชอบทั้งน้ำและไขมัน ไม่เป็นพิษ ย่อยสลายทางชีวภาพได้ และก่อตัวเป็นสารแขวนลอยคอลลอยด์ที่เสถียร พื้นผิวของกราฟีนออกไซด์มีหมู่อีพอกซี ไฮดรอกซิล และคาร์บอกซิล ซึ่งสามารถเกิดอันตรกิริยากับแคตไอออนและแอนไอออนได้ ด้วยโครงสร้างลูกผสมอินทรีย์–อนินทรีย์ที่เป็นเอกลักษณ์และสมบัติอันโดดเด่น วัสดุคอมโพสิต GO–พอลิเมอร์จึงมีศักยภาพสูงสำหรับการประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมหลากหลายประเภท (Tolasz et al. 2014)

กราฟีนออกไซด์ที่ผ่านการรีดิวซ์คืออะไร?

กราฟีนออกไซด์ที่ผ่านการรีดิวซ์ (rGO) ผลิตโดยการรีดิวซ์กราฟีนออกไซด์ด้วยอัลตราโซนิก สารเคมี หรือความร้อน ในขั้นตอนการรีดิวซ์ หมู่ฟังก์ชันที่มีออกซิเจนส่วนใหญ่ของกราฟีนออกไซด์จะถูกกำจัดออก ทำให้กราฟีนออกไซด์ที่ผ่านการรีดิวซ์ (rGO) ที่ได้มีลักษณะคล้ายคลึงอย่างมากกับกราฟีนบริสุทธิ์ที่ไม่ผ่านการดัดแปร อย่างไรก็ตาม กราฟีนออกไซด์ที่ผ่านการรีดิวซ์ (rGO) ไม่ได้ปราศจากตำหนิและอยู่ในสภาพดั้งเดิมเช่นเดียวกับกราฟีนบริสุทธิ์

วรรณกรรม/เอกสารอ้างอิง

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.