การกระจายกราฟีนด้วยอัลตราโซนิก
ในการผสมกราฟีนเข้ากับวัสดุคอมโพสิต จำเป็นต้องกระจายหรือลอกชั้นกราฟีนให้เป็นแผ่นนาโนชั้นเดียวอย่างสม่ำเสมอทั่วทั้งสูตรผสม ยิ่งแยกกราฟีนออกจากกลุ่มที่เกาะรวมกันได้อย่างทั่วถึงมากเท่าใด ก็ยิ่งใช้ประโยชน์จากสมบัติของวัสดุที่โดดเด่นเป็นพิเศษได้มากขึ้นเท่านั้น การกระจายด้วยอัลตราโซนิกให้การกระจายตัวของอนุภาคและเสถียรภาพของการกระจายตัวที่เหนือกว่า แม้ที่ความเข้มข้นและความหนืดสูง วิธีนี้ให้คุณภาพการกระจายตัวที่โดดเด่น ซึ่งเหนือกว่าเทคนิคการผสมแบบดั้งเดิมอย่างมาก
การกระจายกราฟีนด้วยอัลตราโซนิก
เพื่อให้วัสดุคอมโพสิตมีคุณลักษณะที่โดดเด่นของกราฟีน เช่น ความแข็งแรง ต้องกระจายกราฟีนอย่างสม่ำเสมอในเมทริกซ์ หรือเคลือบกราฟีนเป็นฟิล์มบางบนวัสดุฐาน ปัจจัยสำคัญที่มีผลต่อสมบัติของวัสดุที่ได้ ได้แก่ การเกาะกลุ่ม การตกตะกอน และการกระจายตัวภายในเมทริกซ์หรือการกระจายตัวของอนุภาคบนวัสดุฐาน
เนื่องจากกราฟีนมีสมบัติไม่ชอบน้ำ การเตรียมระบบกระจายตัวที่เสถียรและมีความเข้มข้นสูงโดยไม่ใช้สารลดแรงตึงผิวหรือสารช่วยกระจายตัวจึงเป็นเรื่องท้าทาย การเอาชนะแรงแวนเดอร์วาลส์ต้องใช้แรงเฉือนสูง ซึ่งสามารถสร้างได้อย่างมีประสิทธิภาพด้วยคาวิเทชันจากอัลตราโซนิก วิธีนี้เป็นวิธีที่ล้ำหน้าที่สุดสำหรับการเตรียมระบบกระจายตัวที่เสถียร
เครื่องโซนิเคเตอร์อุตสาหกรรมสำหรับการกระจายกราฟีนด้วยอัตราการประมวลผลสูง
การใช้เครื่องกระจายสารด้วยอัลตราโซนิก เช่น เครื่องโซนิเคเตอร์ UIP2000hdT ขนาด 2kW, UIP4000hdT ขนาด 4kW, UIP6000hdT ขนาด 6kW หรือ UIP16000hdT ขนาด 16kW ช่วยให้เตรียมกราฟีนที่มีค่าการนำไฟฟ้าสูง (712 S·m-1) กระจายตัวได้ดี และมีความเข้มข้นสูงได้อย่างง่ายดาย การโซนิเคชันยังช่วยให้เตรียมระบบกระจายตัวของกราฟีนที่เสถียรได้ที่อุณหภูมิกระบวนการต่ำประมาณ 65°C
สามารถดูข้อมูลเพิ่มเติมและรายละเอียดทางเทคนิคเกี่ยวกับเครื่องโซนิเคเตอร์ชนิดโพรบสำหรับอุตสาหกรรมของ Hielscher สำหรับการลอกชั้นและการกระจายกราฟีนได้ที่นี่:
- UIP1000hdT (อัลตราซาวนด์กำลังสูง 1000 วัตต์)
- UIP2000hdT (อัลตราซาวนด์กำลังสูง 2000 วัตต์)
- UIP4000hdT (อัลตราซาวนด์กำลังสูง 4000 วัตต์)
- UIP6000hdT (อัลตราซาวนด์กำลังสูง 6000 วัตต์)
- UIP16000hdT (อัลตราซาวนด์กำลังสูง 16,000 วัตต์)
เครื่องโซนิเคเตอร์ของ Hielscher ทุกเครื่องช่วยให้ควบคุมพารามิเตอร์กระบวนการที่สำคัญทั้งหมดได้อย่างแม่นยำ เทคโนโลยีการกระจายด้วยอัลตราโซนิกหลีกเลี่ยงความเสียหายต่อโครงสร้างทางเคมีและโครงสร้างผลึกของกราฟีน – ทำให้ได้เกล็ดกราฟีนที่คงสภาพเดิมและปราศจากตำหนิ
เครื่องอัลตราโซนิเคเตอร์กำลังสูงของ Hielscher สามารถประมวลผลกราฟีนและกราไฟต์ในปริมาตรมากได้ เช่น สำหรับการลอกชั้นในเฟสของเหลวและการกระจายกราฟีน การควบคุมพารามิเตอร์กระบวนการอย่างแม่นยำช่วยให้ขยายขนาดกระบวนการอัลตราโซนิกจากระดับตั้งโต๊ะไปสู่การผลิตเชิงพาณิชย์เต็มรูปแบบได้อย่างราบรื่น
กราฟีนไม่กี่ชั้นที่ลอกชั้นด้วยอัลตราโซนิก ซึ่งมีประมาณ 3–4 ชั้นและมีขนาดประมาณ 1μm สามารถกระจายตัว (ซ้ำ) ได้ที่ความเข้มข้นอย่างน้อย 63 mg/mL
ภาพ SEM ของแผ่นกราฟีนนาโนที่กำลังขยาย (b) X3000 และ (c) X8000
(การศึกษาและภาพ: ©Alizadeh et al., 2018)
- กราฟีนคุณภาพสูง
- อัตราการประมวลผลสูง / ผลได้สูง
- การกระจายตัวสม่ำเสมอ
- ความเข้มข้นสูง
- ความหนืดสูง
- กระบวนการรวดเร็ว
- ต้นทุนต่ำ
- มีประสิทธิภาพสูง
- เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม
เครื่องปฏิกรณ์อัลตราโซนิกขนาด 7kW สำหรับระบบกระจายตัวของกราฟีน
เครื่องโฮโมจีไนเซอร์และเครื่องกระจายสารด้วยอัลตราโซนิกสำหรับกราฟีน
Hielscher Ultrasonics จัดหาระบบอัลตราโซนิกกำลังสูงสำหรับการลอกชั้นและการกระจายกราฟีนและกราไฟต์แบบก้อนที่มีโครงสร้างเป็นชั้น ให้เป็นกราฟีนชั้นเดียว สองชั้น และไม่กี่ชั้น เครื่องประมวลผลอัลตราโซนิกที่เชื่อถือได้และเครื่องปฏิกรณ์ที่ล้ำหน้าของบริษัทให้กำลังที่จำเป็นและการควบคุมที่แม่นยำเพื่อให้บรรลุเป้าหมายเฉพาะของกระบวนการ
หนึ่งในพารามิเตอร์กระบวนการที่สำคัญที่สุดคือแอมพลิจูดอัลตราโซนิก ซึ่งเป็นระยะการกระจัดจากการสั่นที่ฮอร์นอัลตราโซนิก เครื่องอัลตราโซนิเคเตอร์อุตสาหกรรมของ Hielscher ออกแบบมาให้สร้างแอมพลิจูดที่สูงมาก โดยทำงานอย่างต่อเนื่องได้ที่แอมพลิจูดสูงถึง 200µm สำหรับแอมพลิจูดที่สูงกว่านี้ มีโพรบอัลตราโซนิกที่ผลิตตามความต้องการให้เลือกใช้ พารามิเตอร์กระบวนการของเครื่องโซนิเคเตอร์ Hielscher ทุกเครื่องสามารถปรับให้ตรงกับสภาวะกระบวนการที่ต้องการได้อย่างแม่นยำ และตรวจติดตามผ่านซอฟต์แวร์ในตัว ทำให้มั่นใจได้ถึงความน่าเชื่อถือสูง คุณภาพที่สม่ำเสมอ และผลลัพธ์ที่ทำซ้ำได้ การออกแบบที่แข็งแกร่งของเครื่องโซนิเคเตอร์ Hielscher รองรับการทำงาน 24/7 ในสภาพแวดล้อมที่มีข้อกำหนดการใช้งานสูง ทำให้การโซนิเคชันเป็นเทคโนโลยีที่ได้รับเลือกใช้สำหรับการผลิตแผ่นกราฟีนนาโนชั้นเดียวและไม่กี่ชั้นในปริมาณมาก
Hielscher มีเครื่องอัลตราโซนิเคเตอร์และอุปกรณ์เสริมให้เลือกหลากหลาย รวมถึงโซโนโทรดและเครื่องปฏิกรณ์ที่มีขนาดและรูปทรงต่าง ๆ จึงสามารถเลือกสภาวะและปัจจัยของปฏิกิริยาที่เหมาะสมที่สุด เช่น สารรีเอเจนต์ พลังงานอัลตราโซนิกที่ป้อนต่อปริมาตร ความดัน อุณหภูมิ และอัตราการไหล เพื่อให้ได้คุณภาพสูงสุด เครื่องปฏิกรณ์อัลตราโซนิกของบริษัทสามารถเพิ่มความดันได้สูงถึงหลายร้อย barg ทำให้สามารถโซนิเคชันสารเนื้อข้นที่มีความหนืดสูงมาก (สูงถึง 250,000 เซนติพอยส์) ได้
ความสามารถเหล่านี้ทำให้การแยกชั้น การลอกชั้น และการกระจายด้วยอัลตราโซนิกเหนือกว่าเทคนิคการบดและการโม่แบบดั้งเดิม
เครื่องโซนิเคเตอร์ของ Hielscher เป็นเครื่องโฮโมจีไนเซอร์อัลตราโซนิกที่ล้ำหน้าที่สุดในตลาด ใช้ประโยชน์จากข้อดีมากมายที่มาพร้อมกับเครื่องโซนิเคเตอร์ของ Hielscher!
ภาพกราฟิกแสดงการสังเคราะห์แผ่นกราฟีนนาโนด้วยอัลตราโซนิกโดยใช้เครื่องโซนิเคเตอร์ UP100H
(การศึกษาและภาพกราฟิก: Ghanem and Rehim, 2018)
เครื่องโซนิเคเตอร์ของ Hielscher สำหรับกราฟีน:
- อัลตราซาวนด์กำลังสูง
- แรงเฉือนสูง
- สามารถใช้ความดันสูงได้
- การควบคุมที่แม่นยำ
- การขยายขนาดอย่างราบรื่น (แบบเชิงเส้น)
- แบบแบตช์และแบบไหลผ่าน
- ผลลัพธ์ที่ทำซ้ำได้
- ความน่าเชื่อถือ
- ความแข็งแกร่งทนทาน
- ประสิทธิภาพการใช้พลังงานสูง
ข้อเท็จจริงที่ควรรู้
กราฟีนคืออะไร?
กราฟีนเป็นชั้นคาร์บอนที่หนาเท่ากับหนึ่งอะตอม ซึ่งอธิบายได้ว่าเป็นโครงสร้างกราฟีนชั้นเดียวหรือ 2 มิติ (กราฟีนชั้นเดียว = SLG) กราฟีนมีพื้นที่ผิวจำเพาะขนาดใหญ่มากเป็นพิเศษและสมบัติเชิงกลที่เหนือกว่า (มอดุลัสของยัง 1 TPa และความแข็งแรงโดยเนื้อแท้ 130 GPa) มีค่าการนำไฟฟ้าและการนำความร้อนสูงมาก มีความคล่องตัวของพาหะประจุ มีความโปร่งใส และไม่ยอมให้ก๊าซซึมผ่าน ด้วยคุณลักษณะของวัสดุเหล่านี้ กราฟีนจึงใช้เป็นสารเติมแต่งเสริมแรงเพื่อให้วัสดุคอมโพสิตมีความแข็งแรง การนำไฟฟ้าและความร้อน เป็นต้น เพื่อผสานคุณลักษณะของกราฟีนเข้ากับวัสดุอื่น ต้องกระจายกราฟีนในวัสดุผสม หรือเคลือบเป็นฟิล์มบางบนวัสดุฐาน
ตัวทำละลายทั่วไปที่มักใช้เป็นเฟสของเหลวในการกระจายแผ่นกราฟีนนาโน ได้แก่ Dimethyl sulfoxide (DMSO) , N,N-dimethylformamide (DMF), N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), Tetramethylurea (TMU, Tetrahydrofuran (THF), propylene carbonateacetone (PC), ethanol และ formamide
กราฟีนสามารถกระจายตัวในน้ำได้หรือไม่?
ได้ กราฟีนสามารถกระจายตัวในน้ำได้โดยใช้สารลดแรงตึงผิว พอลิเมอร์ หรือสารเพิ่มเสถียรภาพอื่น ๆ เพื่อป้องกันการรวมตัวและรักษาเสถียรภาพของการกระจายตัว อุปกรณ์กระจายสารที่เชื่อถือได้ เช่น เครื่องโซนิเคเตอร์ชนิดโพรบ ยังมีบทบาทสำคัญในการกระจายกราฟีน โดยใช้พลังงานอัลตราโซนิกแยกกลุ่มอนุภาคที่เกาะรวมกันและลดขนาดอนุภาคกราฟีน ช่วยให้การกระจายตัวในตัวกลางของเหลวสม่ำเสมอและเสถียรมากขึ้น
กราฟีนออกไซด์สามารถละลายในน้ำได้หรือไม่?
ได้ กราฟีนออกไซด์สามารถละลายในน้ำได้เนื่องจากมีหมู่ฟังก์ชันที่มีออกซิเจน ซึ่งเพิ่มสมบัติชอบน้ำและทำให้เกิดระบบกระจายตัวในน้ำที่เสถียรได้
ตัวทำละลายที่ดีที่สุดสำหรับการกระจายกราฟีนคืออะไร?
ตัวทำละลายที่ดีที่สุดสำหรับการกระจายกราฟีนคือ N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) เนื่องจากมีความเป็นขั้วสูงและสามารถทำให้แผ่นกราฟีนมีเสถียรภาพ ส่งผลให้เกิดการกระจายตัวที่สม่ำเสมอและเสถียร
เหตุใดกราฟีนจึงไม่ละลายในน้ำ?
กราฟีนไม่ละลายในน้ำเนื่องจากไม่มีหมู่ฟังก์ชันที่สามารถเกิดอันตรกิริยากับโมเลกุลน้ำได้ ทำให้มีสมบัติไม่ชอบน้ำและมีแนวโน้มที่จะรวมตัวกันเนื่องจากแรงแวนเดอร์วาลส์ที่สูงระหว่างแผ่นกราฟีน
เหตุใดจึงใช้กราฟีนในวัสดุคอมโพสิต?
กราฟีนเป็นวัสดุที่บางที่สุดด้วยความหนาเท่ากับหนึ่งอะตอม มีน้ำหนักประมาณ 0.77 mg ต่อ 1m2 จึงเบาที่สุด และด้วยความแข็งตึงในการรับแรงดึง 150,000,000 psi (แข็งแรงกว่าเหล็กกล้า 100–300 เท่า) และความต้านทานแรงดึง 130,000,000,000 ปาสกาล จึงเป็นวัสดุที่แข็งแรงที่สุดเท่าที่รู้จัก
นอกจากนี้ กราฟีนยังเป็นตัวนำความร้อนที่ดีที่สุด (ที่อุณหภูมิห้อง มีค่า (4.84±0.44) × 103 ถึง (5.30±0.48) × 103 W·m-11·K-1) และเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดีที่สุด (ความคล่องตัวของอิเล็กตรอนสูงกว่า 15,000 cm2·V-1·s-1)
คุณลักษณะสำคัญอีกประการหนึ่งของกราฟีนคือสมบัติทางแสง โดยมีการดูดกลืนแสงขาวที่ πα≈2.3% และมีลักษณะโปร่งใส
การผสมกราฟีนเข้ากับเมทริกซ์สามารถถ่ายทอดคุณลักษณะของวัสดุที่โดดเด่นเหล่านั้นไปสู่วัสดุคอมโพสิตที่ได้ ซึ่งมีความสามารถในการใช้งานที่เป็นเอกลักษณ์ วัสดุคอมโพสิตเสริมแรงด้วยกราฟีนเหล่านี้เปิดโอกาสใหม่ ๆ ในการพัฒนาวัสดุและการประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรม ด้วยคุณลักษณะดังกล่าว กราฟีนและวัสดุคอมโพสิตกราฟีนจึงมีการใช้อย่างแพร่หลายแล้วในการผลิตแบตเตอรี่สมรรถนะสูง ซูเปอร์คาปาซิเตอร์ หมึกนำไฟฟ้า สารเคลือบ ระบบเซลล์แสงอาทิตย์ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์
เครื่องโซนิเคเตอร์ของ Hielscher ให้แรงเฉือนสูงที่จำเป็นในการเอาชนะแรงแวนเดอร์วาลส์ เพื่อกระจายแผ่นกราฟีนนาโนอย่างสม่ำเสมอในเมทริกซ์ของวัสดุคอมโพสิต เครื่องกระจายสารด้วยอัลตราโซนิก เช่น UIP2000hdT หรือ UIP16000 ใช้ในการผลิตนาโนคอมโพสิตที่เสริมแรงด้วยกราฟีนและกราฟีนออกไซด์
วรรณกรรม/เอกสารอ้างอิง
- 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 ผลิตเครื่องโฮโมจีไนเซอร์อัลตราโซนิกสมรรถนะสูงตั้งแต่ขนาด ห้องปฏิบัติการ ไปจนถึงขนาด อุตสาหกรรม