การกระจายตัวของคาร์บอนอสัณฐานชั้นเดียว (MAC) ในของเหลวด้วยอัลตราซาวนด์
คาร์บอนอสัณฐานชั้นเดียว (MAC) เป็นวัสดุนาโนชนิดใหม่ที่มีคาร์บอนเป็นองค์ประกอบหลัก และมีความแข็งแรงเชิงกล ความยืดหยุ่น และความสามารถในการนำไฟฟ้าที่ยอดเยี่ยม การผสานวัสดุนี้เข้ากับเมทริกซ์ของเหลวมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการใช้งานในวัสดุคอมโพสิตสมรรถนะสูง การกักเก็บพลังงาน สารเคลือบ และวัสดุอิเล็กทรอนิกส์ อย่างไรก็ตาม การทำให้ MAC กระจายตัวอย่างสม่ำเสมอและมีเสถียรภาพเป็นเรื่องท้าทาย เนื่องจากมีอันตรกิริยาวานเดอร์วาลส์ที่แรงและมีแนวโน้มที่จะรวมตัวกัน การกระจายตัวด้วยอัลตราซาวนด์โดยใช้เครื่องโซนิเคเตอร์แบบโพรบของ Hielscher เป็นวิธีที่ขยายขนาดกระบวนการได้และมีประสิทธิภาพสูงในการแยกกลุ่ม MAC ออกจากกันและทำให้กระจายตัวอย่างเป็นเนื้อเดียวกันในเฟสของเหลว
ความท้าทายในการกระจายตัวของ MAC
เนื่องจากมีโครงสร้างที่บางมากและพลังงานพื้นผิวสูง MAC จึงรวมตัวกันเป็นชั้นซ้อนหลายชั้นตามธรรมชาติเมื่อเติมลงในตัวกลางของเหลว วิธีการผสมหรือการใช้แรงเฉือนแบบทั่วไปมักไม่สามารถทำให้ MAC กระจายตัวได้อย่างมีประสิทธิภาพ ส่งผลให้:
- วัสดุคอมโพสิตมีความเป็นเนื้อเดียวกันต่ำ
- สมบัติเชิงกลลดลงเนื่องจากการจับตัวเป็นก้อน
- ความสามารถในการขยายขนาดกระบวนการมีข้อจำกัด
คาวิเทชันจากอัลตราซาวนด์เป็นเทคนิคที่ไม่ทำให้วัสดุเสียหาย มีประสิทธิภาพ และขยายขนาดกระบวนการได้ เพื่อให้ได้ MAC ชั้นเดียวที่กระจายตัวอยู่ในตัวทำละลาย เมทริกซ์พอลิเมอร์ และสูตรผสมที่เกิดปฏิกิริยาชนิดต่าง ๆ
การกระจายตัวด้วยอัลตราซาวนด์: กลไกและประโยชน์
เครื่องอัลตราซาวนด์แบบโพรบก่อให้เกิดคาวิเทชันทางเสียงอย่างเข้มข้นในของเหลว ส่งผลให้เกิดแรงเฉือนสูงเฉพาะจุด ลำพุ่งของของเหลวขนาดจุลภาค และคลื่นกระแทก สภาวะรุนแรงเหล่านี้แยกกลุ่ม MAC ออกจากกัน คลายการพันกัน และทำให้แผ่นนาโนกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอได้อย่างมีประสิทธิภาพ ข้อดีหลักของการกระจายตัวด้วยอัลตราซาวนด์ ได้แก่:
- การแยกชั้นอย่างมีประสิทธิภาพ: เปลี่ยน MAC หลายชั้นให้เป็นชั้นเดียว
- เสถียรภาพสูง: ป้องกันการรวมตัวซ้ำโดยปรับอันตรกิริยาของสารลดแรงตึงผิวและตัวทำละลายให้เหมาะสมที่สุด
- ความสามารถในการขยายขนาดกระบวนการ: เหมาะสำหรับการวิจัยระดับห้องปฏิบัติการ การผลิตระดับนำร่อง และการผลิตระดับอุตสาหกรรมเต็มรูปแบบ
- การดำเนินกระบวนการที่ควบคุมได้: พารามิเตอร์ที่ปรับได้ (แอมพลิจูด เวลา ความดัน อุณหภูมิ) ช่วยให้ปรับกระบวนการให้เหมาะสมที่สุดสำหรับการใช้งานเฉพาะด้านได้
เครื่องโซนิเคเตอร์แบบโพรบของ Hielscher: โซลูชันที่ขยายขนาดได้สำหรับการกระจายตัวของ MAC
Hielscher Ultrasonics มีเครื่องประมวลผลด้วยอัลตราซาวนด์ที่ใช้เทคโนโลยีล้ำสมัย รองรับการกระจายตัวของ MAC ทุกระดับ ตั้งแต่ตัวอย่างขนาดเล็กในห้องปฏิบัติการไปจนถึงกระบวนการแบบอินไลน์ระดับอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ ระบบแบบโมดูลาร์ที่ปรับแต่งได้เหล่านี้ให้ความแม่นยำและประสิทธิภาพที่ไม่มีใครเทียบได้
เครื่องอัลตราซาวนด์ UP400St สำหรับการกระจายตัวของอนุภาคนาโนคาร์บอนอย่างเป็นเนื้อเดียวกัน
การกระจายตัวของ MAC ระดับห้องปฏิบัติการ
สำหรับการวิจัยและพัฒนา เครื่องโซนิเคเตอร์ของ Hielscher รุ่น UP200Ht (200W) และ UP400St (400W) ช่วยให้ควบคุมพารามิเตอร์การกระจายตัวได้อย่างแม่นยำ อุปกรณ์อัลตราซาวนด์เหล่านี้ช่วยให้สามารถ:
- ดำเนินกระบวนการแบบแบตช์ขนาดเล็กเพื่อศึกษาความเป็นไปได้อย่างรวดเร็ว
- ปรับพารามิเตอร์ให้เหมาะสมที่สุดเพื่อกำหนดแอมพลิจูดและระยะเวลาดำเนินกระบวนการที่เหมาะสมที่สุด
- ทำซ้ำโดยได้ผลสอดคล้องกันเพื่อปรับปรุงสูตรผสม
การผลิตระดับนำร่องและระดับกลาง
สำหรับการผลิตระดับนำร่องหรือการผลิตระดับอุตสาหกรรมขนาดเล็ก UIP1000hdT (1kW) และ UIP2000hdT (2kW) ให้กำลังที่สูงขึ้น พร้อมคงการควบคุมคุณภาพการกระจายตัวที่ปรับได้อย่างละเอียด คุณสมบัติของเครื่องเหล่านี้ ได้แก่:
- การดำเนินกระบวนการอย่างต่อเนื่องเพื่อให้ได้ปริมาณงานต่อหน่วยเวลาที่สูงขึ้น
- เครื่องปฏิกรณ์แบบเซลล์ไหลเพื่อให้สามารถกระจายตัวแบบอินไลน์ได้
- เซลล์ไหลที่เพิ่มความดันได้ช่วยให้ดำเนินกระบวนการภายใต้ความดันสูงได้
การกระจายตัวแบบอินไลน์ระดับอุตสาหกรรม
สำหรับการกระจายตัวของ MAC ในปริมาณมาก เครื่องของ Hielscher ในซีรีส์ UIP4000hdT, UIP6000hdT และ UIP16000hdT (4kW–16kW ต่อเครื่อง) ช่วยให้กระจายตัวแบบอินไลน์อย่างต่อเนื่องได้ โดยรับประกันประสิทธิภาพและความสามารถในการทำซ้ำโดยได้ผลสอดคล้องกันในระดับอุตสาหกรรม ประโยชน์ ได้แก่:
- ความสามารถในการประมวลผลสูง: ออกแบบมาสำหรับการผลิตวัสดุคอมโพสิตและสารเคลือบขนาดใหญ่
- การออกแบบแบบโมดูลาร์ที่ขยายขนาดได้: สามารถใช้งานหลายเครื่องแบบขนานได้
- ระบบอัตโนมัติสำหรับกระบวนการ: การผสานเข้ากับเซนเซอร์และระบบควบคุมเพื่อติดตามแบบเรียลไทม์
จะทำให้คาร์บอนอสัณฐานชั้นเดียวกระจายตัวได้อย่างเหมาะสมที่สุดได้อย่างไร?
เพื่อให้ได้คุณภาพการกระจายตัวสูงที่สุด ต้องปรับพารามิเตอร์หลักของกระบวนการให้เหมาะสมที่สุด:
การกระจายตัวด้วยอัลตราซาวนด์โดยใช้เครื่องโซนิเคเตอร์แบบโพรบของ Hielscher เป็นเทคนิคที่ได้รับการพิสูจน์แล้ว ขยายขนาดกระบวนการได้ และมีประสิทธิภาพสูงสำหรับการประมวลผลคาร์บอนอสัณฐานชั้นเดียวในของเหลว ไม่ว่าจะเป็นงานขนาดเล็กในห้องปฏิบัติการหรือการผลิตระดับอุตสาหกรรมเต็มรูปแบบ เครื่องโซนิเคเตอร์ของ Hielscher รับประกันการกระจายตัวที่เป็นเนื้อเดียวกันและมีเสถียรภาพ ทำให้ใช้ศักยภาพของคาร์บอนอสัณฐานชั้นเดียว (MAC) ได้อย่างเต็มที่สำหรับวัสดุคอมโพสิตสมรรถนะสูงรุ่นใหม่ สารเคลือบนำไฟฟ้า และผลิตภัณฑ์ที่เสริมสมรรถนะด้วยวัสดุนาโน
ตารางด้านล่างแสดงความสามารถในการประมวลผลโดยประมาณของเครื่องอัลตราซาวนด์ของเรา:
| ปริมาตรต่อแบตช์ | อัตราการไหล | อุปกรณ์ที่แนะนำ |
|---|---|---|
| 0.5 ถึง 1.5mL | n.a. | VialTweeter |
| 1 ถึง 500mL | 10 ถึง 200mL/min | UP100H |
| 10 ถึง 2000mL | 20 ถึง 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 ถึง 20L | 0.2 ถึง 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 ถึง 100L | 2 ถึง 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 ถึง 150L | 3 ถึง 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 ถึง 100L/min | UIP16000hdT |
| n.a. | สูงกว่า | กลุ่มเครื่อง UIP16000hdT |
- ประสิทธิภาพสูง
- เทคโนโลยีล้ำสมัย
- ความน่าเชื่อถือและความทนทาน
- การควบคุมกระบวนการที่ปรับได้และแม่นยำ
- แบบแบตช์และแบบอินไลน์
- สำหรับทุกปริมาตร
- ซอฟต์แวร์อัจฉริยะ
- คุณสมบัติอัจฉริยะ (เช่น ตั้งโปรแกรมได้ บันทึกข้อมูล ควบคุมจากระยะไกล)
- ใช้งานง่ายและปลอดภัย
- ต้องการการบำรุงรักษาน้อย
- CIP (การทำความสะอาดในตำแหน่งติดตั้ง)
การออกแบบ การผลิต และการให้คำปรึกษา – คุณภาพที่ผลิตในเยอรมนี
เครื่องอัลตราซาวนด์ของ Hielscher เป็นที่รู้จักกันดีในด้านมาตรฐานคุณภาพและการออกแบบที่สูงที่สุด ความทนทานและการใช้งานที่ง่ายช่วยให้ผสานเครื่องอัลตราซาวนด์ของเราเข้ากับโรงงานอุตสาหกรรมได้อย่างราบรื่น เครื่องอัลตราซาวนด์ของ Hielscher รับมือกับสภาวะที่รุนแรงและสภาพแวดล้อมที่มีข้อเรียกร้องสูงได้อย่างง่ายดาย
Hielscher Ultrasonics เป็นบริษัทที่ได้รับการรับรอง ISO และให้ความสำคัญเป็นพิเศษกับเครื่องอัลตราซาวนด์สมรรถนะสูงที่ใช้เทคโนโลยีล้ำสมัยและใช้งานสะดวก แน่นอนว่าเครื่องอัลตราซาวนด์ของ Hielscher เป็นไปตามข้อกำหนด CE และตรงตามข้อกำหนดของ UL, CSA และ RoHs
เครื่องโซนิเคเตอร์ระดับอุตสาหกรรม UIP16000hdT สำหรับการกระจายตัวระดับนาโนที่มีปริมาณงานต่อหน่วยเวลาสูง
เอกสารวิชาการ / เอกสารอ้างอิง
- SOP – Ultrasonic Dispersion of Multi-Walled Carbon-Nanotubes using the UP400ST Sonicator – Hielscher Ultrasonics
- 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.
คำถามที่พบบ่อย
คาร์บอนอสัณฐานชั้นเดียวคืออะไร?
คาร์บอนอสัณฐานชั้นเดียว (MAC) เป็นคาร์บอนรูปแบบที่ไม่เป็นผลึกและมีความหนาเพียงหนึ่งอะตอม โดยทั่วไปสังเคราะห์ด้วยการสะสมไอเคมี (CVD) หรือเทคนิคการสะสมฟิล์มบางอื่น ๆ ต่างจากกราฟีนซึ่งมีโครงข่ายผลึกหกเหลี่ยมที่เป็นระเบียบอย่างดี MAC ไม่มีการจัดเรียงอะตอมอย่างเป็นระเบียบในระยะไกล และมีโครงสร้างที่ไม่เป็นระเบียบแต่สม่ำเสมอในระดับอะตอม
คาร์บอนอสัณฐานคืออะไร?
คาร์บอนอสัณฐาน (a-C) เป็นอัญรูปของคาร์บอนที่ไม่เป็นผลึก โดยมีลักษณะเด่นคือไม่มีการจัดเรียงอะตอมอย่างเป็นระเบียบแบบคาบในระยะไกล ประกอบด้วยอะตอมคาร์บอนที่มีไฮบริไดเซชันแบบ sp² (แบบกราฟิต) และ sp³ (คล้ายเพชร) ผสมกัน โดยสมบัติแตกต่างกันตามวิธีการสะสมและปริมาณไฮโดรเจน ชนิดต่าง ๆ ได้แก่ คาร์บอนอสัณฐานที่มีไฮโดรเจน (a-C:H) คาร์บอนอสัณฐานแบบเตตระฮีดรัล (ta-C) และคาร์บอนคล้ายเพชร (DLC)
คาร์บอนอสัณฐานชั้นเดียวมีในรูปวัสดุมวลรวมหรือไม่?
ไม่มี คาร์บอนอสัณฐานชั้นเดียวไม่มีในรูปวัสดุมวลรวมเนื่องจากมีลักษณะเป็นวัสดุสองมิติ วัสดุนี้สังเคราะห์ขึ้นเป็นฟิล์มบางมากบนวัสดุฐาน และไม่สามารถผลิตเป็นวัสดุมวลรวมปริมาณมากที่คงรูปได้ด้วยตัวเองเหมือนกราฟิตหรือเพชร
คาร์บอนอสัณฐานกับคาร์บอนผลึกแตกต่างกันอย่างไร?
ความแตกต่างหลักอยู่ที่การจัดเรียงอะตอม คาร์บอนผลึก (เช่น กราฟิต เพชร) มีโครงข่ายผลึกแบบคาบที่ชัดเจน ขณะที่คาร์บอนอสัณฐานไม่มีการจัดเรียงอย่างเป็นระเบียบในระยะไกล ความแตกต่างทางโครงสร้างนี้ส่งผลต่อสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ เชิงกล และเชิงแสง – รูปแบบผลึกมีสมบัติที่ขึ้นกับทิศทางและมีโครงสร้างแถบพลังงานที่แตกต่างกันอย่างชัดเจน ขณะที่คาร์บอนอสัณฐานมีสมบัติที่เหมือนกันทุกทิศทางและมีความสามารถในการนำไฟฟ้าที่แปรผันได้
คาร์บอนมีรูปแบบใดบ้าง?
คาร์บอนมีอยู่ในหลายอัญรูป ได้แก่:
- รูปแบบผลึก: เพชร กราฟิต กราฟีน ท่อนาโนคาร์บอน (CNTs) ฟูลเลอรีน (เช่น C₆₀)
- รูปแบบอสัณฐาน: ถ่าน เขม่า คาร์บอนแบล็ก คาร์บอนคล้ายแก้ว คาร์บอนคล้ายเพชร (DLC) คาร์บอนอสัณฐานชั้นเดียว (MAC)
- โครงสร้างนาโนลูกผสม: เพชรนาโน คาร์บอนโครงสร้างชั้นซ้อนคล้ายหัวหอม แอโรเจลคาร์บอน และวัสดุคอมโพสิต เช่น วัสดุลูกผสมนาโนคาร์บอนกับโลหะ
แต่ละรูปแบบมีสมบัติทางกายภาพและเคมีที่แตกต่างกัน ซึ่งเกี่ยวข้องกับการใช้งานในวัสดุศาสตร์ อิเล็กทรอนิกส์ และการกักเก็บพลังงาน
Hielscher Ultrasonics ผลิตเครื่องโฮโมจีไนเซอร์อัลตราซาวนด์สมรรถนะสูง ตั้งแต่ขนาด ห้องปฏิบัติการ ไปจนถึงขนาด อุตสาหกรรม