การกระจายอัลตราโซนิกของกราฟีน
ในการรวมกราฟีนเข้ากับคอมโพสิต จําเป็นต้องกระจายหรือผลัดเซลล์ผิวกราฟีนเป็นแผ่นนาโนแผ่นเดียวอย่างสม่ําเสมอตลอดทั้งสูตร ยิ่งกราฟีนถูกแยกตัวออกอย่างละเอียดมากเท่าไหร่ก็ยิ่งสามารถใช้คุณสมบัติของวัสดุที่ไม่ธรรมดาได้ดีขึ้นเท่านั้น การกระจายตัวของอัลตราโซนิกให้การกระจายอนุภาคที่เหนือกว่าและความเสถียรของการกระจายตัวแม้ในความเข้มข้นและความหนืดสูง วิธีนี้ให้คุณภาพการกระจายที่โดดเด่น เหนือกว่าเทคนิคการผสมทั่วไป
การกระจายอัลตราโซนิกของกราฟีน
เพื่อให้คอมโพสิตมีคุณสมบัติที่โดดเด่นของกราฟีน เช่น ความแข็งแรง กราฟีนจะต้องกระจายตัวอย่างสม่ําเสมอในเมทริกซ์หรือใช้เป็นฟิล์มบางเคลือบบนพื้นผิว ปัจจัยสําคัญที่มีอิทธิพลต่อคุณสมบัติของวัสดุที่ได้ ได้แก่ การรวมตัวกันการตกตะกอนและการกระจายตัวภายในเมทริกซ์หรือการกระจายอนุภาคบนพื้นผิว
เนื่องจากลักษณะที่ไม่ชอบน้ําของกราฟีน การสร้างการกระจายตัวที่เสถียรและเข้มข้นสูงโดยไม่ต้องใช้สารลดแรงตึงผิวหรือสารช่วยกระจายตัวจึงเป็นเรื่องที่ท้าทาย การเอาชนะแรงแวนเดอร์วาลส์ต้องใช้แรงเฉือนที่แข็งแกร่งซึ่งสามารถสร้างขึ้นได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยการเกิดโพรงอากาศอัลตราโซนิก วิธีนี้มีความซับซ้อนที่สุดในการเตรียมการกระจายตัวที่เสถียร
เครื่องสะท้อนเสียงอุตสาหกรรมสําหรับการกระจายตัวของกราฟีนที่มีปริมาณงานสูง
การใช้เครื่องกระจายอัลตราโซนิกเช่น 2kW sonicator UIP2000hdT, 4kW sonicator UIP4000hdT, 6kW sonicator UIP6000hdT หรือ 16kW sonicator UIP16000hdT เป็นไปได้ที่จะเตรียมกราฟีนที่มีการนําไฟฟ้าสูง (712 S · m-1) การกระจายตัวที่ดีและความเข้มข้นสูง Sonication ยังช่วยให้สามารถเตรียมการกระจายตัวของกราฟีนที่เสถียรที่อุณหภูมิกระบวนการต่ําประมาณ 65 °C
ข้อมูลเพิ่มเติมและรายละเอียดทางเทคนิคเกี่ยวกับ Hielscher industrial probe-type sonicators สําหรับการขัดผิวและการกระจายตัวของกราฟีนสามารถพบได้ที่นี่:
- UIP1000hdT (อัลตราซาวนด์กําลัง 1000 วัตต์)
- UIP2000hdT (อัลตราซาวนด์กําลัง 2000 วัตต์)
- UIP4000hdT (อัลตราซาวนด์กําลังไฟ 4000 วัตต์)
- UIP6000hdT (อัลตราซาวนด์กําลัง 6000 วัตต์)
- UIP16000hdT (อัลตราซาวนด์กําลัง 16,000 วัตต์)
เครื่องโซนิคเตอร์ Hielscher ทั้งหมดช่วยให้สามารถควบคุมพารามิเตอร์กระบวนการที่สําคัญทั้งหมดได้อย่างแม่นยําเทคโนโลยีการกระจายอัลตราโซนิกหลีกเลี่ยงความเสียหายของโครงสร้างทางเคมีและผลึกของกราฟีน – ส่งผลให้เกิดเกล็ดกราฟีนที่บริสุทธิ์และปราศจากข้อบกพร่อง
เครื่องอัลตราโซนิกที่มีประสิทธิภาพของ Hielscher สามารถประมวลผลกราฟีนและกราไฟท์ในปริมาณมากเช่นสําหรับการขัดผิวในเฟสของเหลวและการกระจายตัวของกราฟีน การควบคุมพารามิเตอร์กระบวนการที่แน่นอนช่วยให้สามารถขยายขนาดกระบวนการอัลตราโซนิกได้อย่างราบรื่นตั้งแต่แบบตั้งโต๊ะไปจนถึงการผลิตเชิงพาณิชย์เต็มรูปแบบ
กราฟีนบางชั้นที่ขัดผิวด้วยอัลตราโซนิกที่มีประมาณ 3-4 ชั้นและประมาณ ขนาด 1μm สามารถกระจาย (ซ้ํา) ที่ความเข้มข้นอย่างน้อย 63 มก./มล.
ภาพ SEM ของกราฟีนนาโนเกล็ดเต็ตที่ (b) X3000 และ (c) X8000
(การศึกษาและภาพ: ©Alizadeh et al., 2018)
- กราฟีนคุณภาพสูง
- ปริมาณงานสูง / ผลผลิตสูง
- การกระจายตัวสม่ําเสมอ
- ความเข้มข้นสูง
- ความหนืดสูง
- กระบวนการที่รวดเร็ว
- ต้นทุนต่ํา
- ประสิทธิภาพสูง
- เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม
เครื่องปฏิกรณ์อัลตราโซนิก 7kW สําหรับการกระจายตัวของกราฟีน
อัลตราโซนิก Homogenizers และ Disperser สําหรับกราฟีน
Hielscher Ultrasonics มีระบบอัลตราโซนิกกําลังสูงสําหรับการขัดผิวและกระจายกราฟีนและกราไฟท์จํานวนมากเป็นกราฟีนแบบโมโนสองชั้นและไม่กี่ชั้น โปรเซสเซอร์อัลตราโซนิกที่เชื่อถือได้และเครื่องปฏิกรณ์ขั้นสูงให้พลังงานที่จําเป็นและการควบคุมที่แม่นยําเพื่อให้บรรลุเป้าหมายกระบวนการที่เฉพาะเจาะจง
หนึ่งในพารามิเตอร์กระบวนการที่สําคัญที่สุดคือแอมพลิจูดอัลตราโซนิกซึ่งเป็นการกระจัดการสั่นสะเทือนที่ฮอร์นอัลตราโซนิก เครื่องอัลตราโซนิกอุตสาหกรรม Hielscher ได้รับการออกแบบมาเพื่อให้แอมพลิจูดสูงมากโดยมีการทํางานต่อเนื่องสูงถึง 200μm สําหรับแอมพลิจูดที่สูงขึ้นมีโพรบอัลตราโซนิกแบบกําหนดเอง พารามิเตอร์กระบวนการของเครื่องสะท้อนเสียงของ Hielscher ทั้งหมดสามารถปรับได้อย่างแม่นยําตามเงื่อนไขกระบวนการที่ต้องการและตรวจสอบผ่านซอฟต์แวร์ในตัวทําให้มั่นใจได้ถึงความน่าเชื่อถือสูงคุณภาพที่สม่ําเสมอและผลลัพธ์ที่ทําซ้ําได้ การออกแบบที่แข็งแกร่งของเครื่องสะท้อนเสียงของ Hielscher ถูกสร้างขึ้นสําหรับการทํางานตลอด 24 ชั่วโมงทุกวันในสภาพแวดล้อมที่ต้องการทําให้ sonication เป็นเทคโนโลยีที่ต้องการสําหรับการผลิตแผ่นนาโนกราฟีนแบบโมโนและไม่กี่ชั้นในวงกว้าง
Hielscher นําเสนอเครื่องอัลตราโซนิกและอุปกรณ์เสริมที่หลากหลายรวมถึงเครื่องปฏิกรณ์และเครื่องปฏิกรณ์ขนาดต่างๆและรูปทรงเรขาคณิต สิ่งนี้ช่วยให้สามารถเลือกสภาวะและปัจจัยปฏิกิริยาที่เหมาะสมที่สุด เช่น รีเอเจนต์ พลังงานอัลตราโซนิกที่ป้อนต่อปริมาตร ความดัน อุณหภูมิ และอัตราการไหล เพื่อให้ได้คุณภาพสูงสุด เครื่องปฏิกรณ์อัลตราโซนิกของพวกเขาสามารถรับแรงดันได้ถึงหลายร้อยบาร์กทําให้การ sonication ของแป้งที่มีความหนืดสูง (สูงถึง 250,000 เซนติปอยส์) เป็นไปได้
ความสามารถเหล่านี้ทําให้การหลุดลอกอัลตราโซนิกการขัดผิวและการกระจายตัวเหนือกว่าเทคนิคการบดและการกัดแบบเดิม
เครื่องโซนิคเตอร์ Hielscher เป็นโฮโมจีไนเซอร์อัลตราโซนิกที่ซับซ้อนที่สุดในตลาด ใช้ประโยชน์จากประโยชน์มากมายที่มาพร้อมกับเครื่องสะท้อนเสียง Hielscher!
กราฟิกแสดงภาพการสังเคราะห์อัลตราโซนิกของนาโนเกล็ดเลือดกราฟีนโดยใช้เครื่องโซนิโคม UP100H
(การศึกษาและกราฟิก: Ghanem และ Rehim, 2018)
Hielscher Sonicators สําหรับกราฟีน:
- อัลตราซาวนด์กําลังสูง
- แรงเฉือนสูง
- แรงดันสูงที่ใช้ได้
- การควบคุมที่แม่นยํา
- ความสามารถในการปรับขนาดที่ราบรื่น (เชิงเส้น)
- แบทช์และโฟลว์ทรู
- ผลลัพธ์ที่ทําซ้ําได้
- ความน่าเชื่อถือ
- กําลังกาย
- ประสิทธิภาพการใช้พลังงานสูง
ข้อเท็จจริงที่ควรค่าแก่การรู้
กราฟีนคืออะไร?
กราฟีนเป็นชั้นคาร์บอนหนาหนึ่งอะตอม ซึ่งสามารถอธิบายได้ว่าเป็นโครงสร้างชั้นเดียวหรือ 2 มิติของกราฟีน (กราฟีนชั้นเดียว = SLG) กราฟีนมีพื้นที่ผิวจําเพาะที่ใหญ่เป็นพิเศษและคุณสมบัติทางกลที่เหนือกว่า (โมดูลัสของ Young ที่ 1 TPa และความแข็งแรงที่แท้จริงของ 130 GPa) ให้การนําไฟฟ้าและความร้อนที่ยอดเยี่ยม เนื่องจากลักษณะของวัสดุเหล่านี้กราฟีนจึงถูกใช้เป็นสารเติมแต่งเสริมแรงเพื่อให้คอมโพสิตมีความแข็งแรงการนําไฟฟ้า ฯลฯ ในการรวมลักษณะของกราฟีนเข้ากับวัสดุอื่น ๆ กราฟีนจะต้องกระจายตัวลงในสารประกอบหรือใช้เป็นการเคลือบฟิล์มบางลงบนพื้นผิว
ตัวทําละลายทั่วไปซึ่งมักใช้เป็นเฟสของเหลวเพื่อกระจายแผ่นนาโนกราฟีน ได้แก่ ไดเมทิลซัลฟอกไซด์ (DMSO), N,N-dimethylformamide (DMF), N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), Tetramethylurea (TMU, Tetrahydrofuran (THF), โพรพิลีนคาร์บอเนตอะซิโตน (PC), เอทานอล และฟอร์มไมด์
กราฟีนสามารถกระจายตัวในน้ําได้หรือไม่?
ได้ กราฟีนสามารถกระจายตัวในน้ําได้โดยใช้สารลดแรงตึงผิว โพลีเมอร์ หรือสารทําให้คงตัวอื่นๆ เพื่อป้องกันการรวมตัวและรักษาเสถียรภาพการกระจายตัว อุปกรณ์กระจายที่เชื่อถือได้เช่นเครื่องสะท้อนเสียงแบบโพรบยังมีบทบาทสําคัญในการกระจายตัวของกราฟีนโดยใช้พลังงานอัลตราโซนิกเพื่อสลายการรวมตัวกันและลดขนาดของอนุภาคกราฟีนส่งเสริมการกระจายตัวที่สม่ําเสมอและมีเสถียรภาพมากขึ้นในตัวกลางที่เป็นของเหลว
กราฟีนออกไซด์สามารถละลายในน้ําได้หรือไม่?
ใช่ กราฟีนออกไซด์สามารถละลายในน้ําได้เนื่องจากหมู่ฟังก์ชันที่มีออกซิเจน ซึ่งช่วยเพิ่มความชอบน้ําและช่วยให้สร้างการกระจายตัวในน้ําที่เสถียร
ตัวทําละลายที่ดีที่สุดในการกระจายกราฟีนคืออะไร?
ตัวทําละลายที่ดีที่สุดในการกระจายกราฟีนคือ N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) เนื่องจากมีขั้วสูงและความสามารถในการรักษาเสถียรภาพของแผ่นกราฟีน
ทําไมกราฟีนถึงไม่ละลายในน้ํา?
กราฟีนไม่ละลายในน้ําเนื่องจากไม่มีหมู่ฟังก์ชันที่สามารถทําปฏิกิริยากับโมเลกุลของน้ําทําให้ไม่ชอบน้ําและมีแนวโน้มที่จะรวมตัวกันเนื่องจากแรงแวนเดอร์วาลส์ที่แข็งแกร่งระหว่างแผ่นกราฟีน
เหตุใดจึงใช้กราฟีนในคอมโพสิต
กราฟีนมีความหนาหนึ่งอะตอมที่บางที่สุด โดยมีน้ําหนักประมาณ 0.77 มก. ต่อ 1 เมตร2 เบาที่สุดและมีความต้านทานแรงดึง 150,000,000 psi (แข็งแรงกว่าเหล็ก 100-300 เท่า) และความต้านทานแรงดึง 130,000,000,000 ปาสกาล ซึ่งเป็นวัสดุที่แข็งแรงที่สุดที่รู้จัก
นอกจากนี้ กราฟีนยังเป็นตัวนําความร้อนที่ดีที่สุด (ที่อุณหภูมิห้องด้วย (4.84±0.44) × 103 ถึง (5.30±0.48) × 103 ว·ม-11· K-1) และตัวนําไฟฟ้าที่ดีที่สุด (ความคล่องตัวของอิเล็กตรอนสูงถึง 15,000 ซม.2· V-1·ส-1).
ลักษณะสําคัญอีกประการหนึ่งของกราฟีนคือคุณสมบัติทางแสงที่มีการดูดซับแสงที่ πα≈2.3% ของแสงสีขาว และลักษณะที่โปร่งใส
ด้วยการรวมกราฟีนเข้ากับเมทริกซ์ ลักษณะของวัสดุที่โดดเด่นเหล่านั้นสามารถถ่ายโอนไปยังคอมโพสิตที่ได้ ซึ่งมีฟังก์ชันการทํางานที่เป็นเอกลักษณ์ คอมโพสิตเสริมกราฟีนดังกล่าวนําเสนอความเป็นไปได้ใหม่ๆ สําหรับการพัฒนาวัสดุและการใช้งานในอุตสาหกรรม เนื่องจากลักษณะของมันกราฟีนและกราฟีนคอมโพสิตจึงแพร่หลายอย่างแพร่หลายในการผลิตแบตเตอรี่ประสิทธิภาพสูงซุปเปอร์คาปาซิเตอร์หมึกนําไฟฟ้าสารเคลือบระบบไฟฟ้าโซลาร์เซลล์และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์
เครื่องสะท้อนเสียง Hielscher ให้แรงเฉือนสูงที่จําเป็นเพื่อเอาชนะแรงของแวนเดอร์วาลส์เพื่อกระจายแผ่นนาโนกราฟีนอย่างสม่ําเสมอในเมทริกซ์คอมโพสิต เครื่องกระจายอัลตราโซนิกเช่น UIP2000hdT หรือ UIP16000 ใช้ในการผลิตนาโนคอมโพสิตเสริมกราฟีนและกราฟีนออกไซด์
วรรณกรรม/อ้างอิง
- FactSheet: Ultrasonic Graphene Exfoliation and Dispersion – Hielscher Ultrasonics – english version
- FactSheet: Exfoliación y Dispersión de Grafeno por Ultrasonidos – Hielscher Ultrasonics – spanish version
- Ivanov R., Hussainova I., Aghayan M., Petrov M. (2014): Graphene Coated Alumina Nanofibres as Zirconia Reinforcement. 9th International DAAAM Baltic Conference of industrial Engineering 24-26 April 2014, Tallinn, Estonia.
- 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.
- Štengl V., Henych J., Slušná M., Ecorchard P. (2014): Ultrasound exfoliation of inorganic analogues of graphene. Nanoscale Research Letters 9(1), 2014.
Hielscher Ultrasonics ผลิตโฮโมจีไนเซอร์อัลตราโซนิกประสิทธิภาพสูงจาก ห้องทดลอง ถึง ขนาดอุตสาหกรรม