การแยกชั้นกราฟีนที่กระจายตัวในน้ำได้ด้วยอัลตราโซนิก
- สามารถผลิตแผ่นนาโนกราฟีนชั้นเดียวและสองชั้นได้อย่างรวดเร็วด้วยการแยกชั้นโดยใช้อัลตราโซนิก โดยมีอัตราการผลิตสูงและต้นทุนต่ำ
- กราฟีนที่แยกชั้นด้วยอัลตราโซนิกสามารถปรับหมู่ฟังก์ชันด้วยพอลิเมอร์ชีวภาพเพื่อให้ได้กราฟีนที่กระจายตัวในน้ำได้
- คาวิเทชันจากอัลตราโซนิกช่วยให้สามารถนำกราฟีนที่สังเคราะห์ได้ไปผ่านกระบวนการเพิ่มเติมเพื่อให้เป็นระบบกระจายตัวในน้ำที่มีเสถียรภาพ
การแยกชั้นกราฟีนคุณภาพสูงด้วยอัลตราโซนิก
การใช้อัลตราโซนิกเป็นวิธีที่เชื่อถือได้ในการผลิตชั้นกราฟีน (กราฟีนชั้นเดียว สองชั้น และไม่กี่ชั้น) จากเกล็ดหรืออนุภาคแกรไฟต์ ในขณะที่เทคนิคการแยกชั้นทั่วไปอื่น ๆ เช่น เครื่องบดลูกบอล เครื่องบดลูกกลิ้ง หรือเครื่องผสมแรงเฉือนสูง มีความเกี่ยวข้องกับคุณภาพต่ำและการใช้รีเอเจนต์และตัวทำละลายที่มีฤทธิ์รุนแรง วิธีการแยกชั้นด้วยอัลตราโซนิกมีจุดเด่นที่ผลผลิตคุณภาพสูง กำลังการผลิตสูง และสภาวะการแปรรูปที่ไม่รุนแรง
คาวิเทชันจากอัลตราโซนิกสร้างแรงเฉือนที่รุนแรง ซึ่งแยกชั้นแกรไฟต์ที่ซ้อนกันออกเป็นกราฟีนชั้นเดียว สองชั้น และไม่กี่ชั้นที่ปราศจากตำหนิ
แผ่นกราฟีนที่กระจายตัวในน้ำได้ด้วยการใช้อัลตราโซนิก
การใช้อัลตราโซนิกเป็นกระบวนการที่มีประสิทธิผลและให้ผลลัพธ์ที่ทำซ้ำได้ในการคลายการพันกันของท่อนาโนคาร์บอนในน้ำหรือตัวทำละลายอินทรีย์[/caption]ภายใต้สภาวะปกติ กราฟีนกระจายตัวในน้ำได้ยากมาก และเกิดการรวมกลุ่มและการเกาะกลุ่มเมื่อกระจายตัวในตัวกลางที่เป็นน้ำ เนื่องจากระบบที่ใช้น้ำมีข้อดีที่สำคัญ ได้แก่ ราคาถูก ไม่เป็นพิษ และเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม ระบบกราฟีนที่ใช้น้ำจึงเป็นที่น่าสนใจอย่างยิ่งสำหรับผู้ผลิตกราฟีนและอุตสาหกรรมปลายน้ำ
เพื่อให้ได้แผ่นนาโนกราฟีนที่กระจายตัวในน้ำได้ กราฟีนที่แยกชั้นด้วยอัลตราโซนิกจะถูกดัดแปรด้วยพอลิแซ็กคาไรด์ / พอลิเมอร์ชีวภาพ เช่น pullulan, chitosan, alginate, gelatine หรือ gum arabic
- กราฟีนคุณภาพสูง
- ผลได้สูง
- ระบบกระจายตัวในน้ำ
- ความเข้มข้นสูง
- ประสิทธิภาพสูง
- กระบวนการรวดเร็ว
- ต้นทุนต่ำ
- อัตราการผลิตสูง
- เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม
เครื่องปฏิกรณ์อัลตราโซนิกพร้อมเครื่องอัลตราโซนิกแบบโพรบสำหรับการแยกชั้นกราฟีนในระดับอุตสาหกรรม
ขั้นตอนการแยกชั้นแกรไฟต์โดยตรงด้วยอัลตราโซนิก
ละลาย pullulan ที่ไม่มีประจุและ alginate ที่มีประจุลบ (1.0 g) แยกกันในน้ำกลั่น 20 ml ส่วน chitosan ที่มีประจุบวก (0.4 g) ละลายในน้ำกลั่น 20 ml ที่มีกรดแอซีติก 1 wt% กระจายผงแกรไฟต์ในสารละลายพอลิเมอร์ชีวภาพที่ใช้น้ำ และผ่านกระบวนการด้วยเครื่องอัลตราโซนิกแบบโพรบ UP200S (กำลังสูงสุด 200 W ความถี่ 24 kHz, Hielscher Ultrasonics ประเทศเยอรมนี) ที่ติดตั้งโซโนโทรดไทเทเนียม (ปลายขนาดเล็ก S3 เส้นผ่านศูนย์กลางปลาย 3 mm แอมพลิจูดสูงสุด 210µm ความหนาแน่นกำลังเสียงหรือความเข้มที่พื้นผิว 460 W cm-2) ภายใต้สภาวะต่อไปนี้: การตั้งค่ารอบ 0.5 และแอมพลิจูด 50% เป็นเวลา 10, 20, 30 และ 60 min ตามลำดับ ได้ผลลัพธ์ดีที่สุดเมื่อใช้อัลตราโซนิกเป็นเวลา 30min ใช้อัลตราโซนิกที่กำลัง 16.25 W เป็นเวลา 30 นาที โดยมีการใช้พลังงาน (พลังงานที่ส่งออกต่อหน่วยปริมาตร) 731 Ws ml-1
จากนั้นปั่นเหวี่ยงส่วนผสมที่ 1500 rpm เป็นเวลา 60 min เพื่อกำจัดอนุภาคแกรไฟต์ที่ยังไม่ได้แยกชั้น แล้วล้าง 5 ครั้ง และปั่นเหวี่ยงอีกครั้งที่ 5000 rpm เป็นเวลา 20 min เพื่อกำจัดพอลิเมอร์ชีวภาพส่วนเกิน นำสารละลายสีเทาเข้มที่ได้ไปทำให้แห้งภายใต้สุญญากาศที่ 40ºC จนไม่มีการสูญเสียมวล นำผงพอลิเมอร์–กราฟีนที่ได้กลับมากระจายตัวในน้ำอีกครั้ง (1 mg ml-1 สำหรับ pullulan และ chitosan; 0.18 mg ml-1 สำหรับ alginate) เพื่อวิเคราะห์ลักษณะเฉพาะ แผ่นกราฟีนที่ได้จากการใช้อัลตราโซนิกโดยมี pullulan, alginate และ chitosan ช่วย เรียกว่า pull-G, alg-G และ chit-G ตามลำดับ
จากทั้งสามระบบ pullulan และ chitosan มีประสิทธิผลในการแยกชั้นแกรไฟต์มากกว่า alginate วิธีนี้ให้แผ่นกราฟีนที่แยกชั้นแล้วแบบชั้นเดียว สองชั้น และไม่กี่ชั้น โดยมีตำหนิด้านข้าง (ขอบ) เพียงเล็กน้อยเท่านั้น การดูดซับพอลิเมอร์ชีวภาพบนพื้นผิวกราฟีนทำให้ระบบกระจายตัวในน้ำมีเสถียรภาพยาวนาน (มากกว่า 6 เดือน)
(เทียบกับ Unalan et al. 2015)
ลำดับภาพความเร็วสูง (จาก a ถึง f) ที่แสดงการแยกชั้นเกล็ดแกรไฟต์ในน้ำด้วยกลไกเชิงกลจากอัลตราโซนิก โดยใช้ UP200S ซึ่งเป็นเครื่องอัลตราโซนิกกำลัง 200W พร้อมโซโนโทรดขนาด 3-mm ลูกศรแสดงตำแหน่งที่เกิดการแยก (การแยกชั้น) โดยมีฟองคาวิเทชันแทรกเข้าไปในรอยแยก
(การศึกษาและภาพ: © Tyurnina et al. 2020
ภาพ TEM ของ pull-G สำหรับ: (a) 10 min; (b) 20 min; (c) 30 min; (d) 60 min; (e) chit-G เป็นเวลา 30 min; (f) alg-G เป็นเวลา 30 min (Unalan et al. 2015)
เครื่องอัลตราโซนิกสำหรับการแยกชั้นกราฟีน
เครื่องประมวลผลด้วยอัลตราโซนิกกำลังสูงของ Hielscher ถูกใช้งานทั่วโลกเพื่อแยกชั้นและกระจายแกรไฟต์และกราฟีนได้อย่างสำเร็จ เครื่องกระจายตัวด้วยอัลตราโซนิกของเรามีให้เลือกตั้งแต่รุ่นสำหรับห้องปฏิบัติการและรุ่นตั้งโต๊ะไปจนถึงเครื่องสำหรับการผลิตระดับอุตสาหกรรมเต็มรูปแบบ นอกจากความแข็งแกร่ง การทำงาน 24/7 และความต้องการบำรุงรักษาต่ำแล้ว เครื่องอัลตราโซนิกของ Hielscher ยังมีจุดเด่นด้านความสะดวกอย่างมากในการดำเนินกระบวนการและความสามารถในการขยายขนาดแบบเชิงเส้น
สามารถทดสอบและปรับกระบวนการให้เหมาะสมที่สุดในห้องปฏิบัติการได้อย่างง่ายดาย จากนั้นสามารถขยายผลลัพธ์ของกระบวนการทั้งหมดไปสู่ระดับการผลิตเชิงพาณิชย์ได้แบบเชิงเส้นอย่างสมบูรณ์ จึงทำให้การใช้อัลตราโซนิกเป็นวิธีการผลิตที่มีประสิทธิผลและประสิทธิภาพสำหรับการผลิตแผ่นกราฟีนคุณภาพสูงในปริมาณมาก
เครื่องประมวลผลด้วยอัลตราโซนิกระดับอุตสาหกรรมของ Hielscher Ultrasonics สามารถให้แอมพลิจูดที่สูงมาก สามารถทำงานต่อเนื่องด้วยแอมพลิจูดสูงถึง 200µm ในการทำงาน 24/7 ได้อย่างง่ายดาย สำหรับแอมพลิจูดที่สูงยิ่งขึ้น มีโซโนโทรดอัลตราโซนิกที่ผลิตตามความต้องการเฉพาะให้เลือก เครื่องปฏิกรณ์อัลตราโซนิกที่เข้ากันช่วยให้มั่นใจได้ถึงความสามารถในการผลิตแผ่นนาโนกราฟีนคุณภาพสูงในปริมาณมากอย่างเชื่อถือได้และปลอดภัย รวมถึงระบบกระจายตัวของแผ่นนาโนที่มีเสถียรภาพ
ความแข็งแกร่งของอุปกรณ์อัลตราโซนิกของ Hielscher ทำให้สามารถทำงาน 24/7 ภายใต้ภาระงานหนักและในสภาพแวดล้อมที่มีความต้องการสูงได้
ตารางด้านล่างแสดงกำลังการประมวลผลโดยประมาณของเครื่องอัลตราโซนิกของเรา:
| ปริมาตรต่อแบตช์ | อัตราการไหล | อุปกรณ์ที่แนะนำ |
|---|---|---|
| 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 | UIP4000 |
| n.a. | 10 ถึง 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | สูงกว่า | ชุดเครื่องที่ประกอบด้วย UIP16000 |
ติดต่อเรา! / สอบถามเรา!
กลไกการแยกชั้นแผ่นนาโน 2 มิติด้วยอัลตราโซนิก
(การศึกษาและภาพประกอบ: Tyurnina et al., 2020)
ข้อเท็จจริงที่ควรทราบ
กราฟีน
กราฟีนเป็นชั้นเดี่ยวของอะตอมคาร์บอนที่สร้างพันธะแบบ sp2 กราฟีนมีลักษณะเฉพาะของวัสดุที่โดดเด่น เช่น พื้นที่ผิวจำเพาะที่ใหญ่เป็นพิเศษ (2620 m2 g-1), สมบัติเชิงกลที่เหนือกว่าด้วยมอดุลัสของยัง 1 TPa และความแข็งแรงโดยเนื้อแท้ 130 GPa, สภาพนำไฟฟ้าที่สูงอย่างยิ่ง (ความคล่องตัวของอิเล็กตรอนที่อุณหภูมิห้อง 2.5 × 105 cm2 V-1 s-1), สภาพนำความร้อนที่สูงมาก (มากกว่า 3000 W m K-1) ซึ่งเป็นตัวอย่างสมบัติที่สำคัญที่สุด ด้วยสมบัติของวัสดุที่เหนือกว่า กราฟีนจึงถูกใช้อย่างแพร่หลายในการพัฒนาและผลิตแบตเตอรี่สมรรถนะสูง เซลล์เชื้อเพลิง เซลล์แสงอาทิตย์ ตัวเก็บประจุยิ่งยวด ระบบกักเก็บไฮโดรเจน อุปกรณ์ป้องกันคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ นอกจากนี้ ยังมีการเติมกราฟีนลงในวัสดุนาโนคอมโพสิตและวัสดุคอมโพสิตหลายชนิดเพื่อเป็นสารเติมแต่งเสริมความแข็งแรง เช่น ในพอลิเมอร์ เซรามิก และเมทริกซ์โลหะ เนื่องจากมีสภาพนำไฟฟ้าสูง กราฟีนจึงเป็นองค์ประกอบสำคัญของสีและหมึกนำไฟฟ้า
การเตรียมกราฟีนที่ปราศจากตำหนิด้วยอัลตราโซนิก อย่างรวดเร็วและปลอดภัยในปริมาณมากด้วยต้นทุนต่ำ ช่วยขยายการใช้งานกราฟีนไปสู่อุตสาหกรรมต่าง ๆ ได้มากขึ้นเรื่อย ๆ
เอกสารวิชาการ/เอกสารอ้างอิง
- FactSheet: Ultrasonic Graphene Exfoliation and Dispersion – Hielscher Ultrasonics – english version
- FactSheet: Exfoliación y Dispersión de Grafeno por Ultrasonidos – Hielscher Ultrasonics – spanish version
- 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.
- Unalan I.U., Wan C., Trabattoni S., Piergiovannia L., Farris S. (2015): Polysaccharide-assisted rapid exfoliation of graphite platelets into high quality water-dispersible graphene sheets. RSC Advances 5, 2015. 26482–26490.
- del Bosque, A.; Sánchez-Romate, X.F.; Sánchez, M.; Ureña, A. (2022): Easy-Scalable Flexible Sensors Made of Carbon Nanotube-Doped Polydimethylsiloxane: Analysis of Manufacturing Conditions and Proof of Concept. Sensors 2022, 22, 5147.
Hielscher Ultrasonics ผลิตเครื่องโฮโมจีไนเซอร์อัลตราโซนิกสมรรถนะสูงตั้งแต่ขนาดสำหรับ ห้องปฏิบัติการ ไปจนถึง ขนาดอุตสาหกรรม