การขัดผิวด้วยอัลตราโซนิกของกราฟีนที่กระจายตัวได้ด้วยน้ํา
- แผ่นนาโนกราฟีนแบบเดี่ยวและสองชั้นสามารถผลิตได้อย่างรวดเร็วผ่านการขัดผิวด้วยอัลตราโซนิกด้วยปริมาณงานสูงและต้นทุนต่ํา
- กราฟีนที่ขัดผิวด้วยอัลตราโซนิกสามารถทํางานได้ด้วยไบโอพอลิเมอร์เพื่อให้ได้กราฟีนที่กระจายตัวในน้ํา
- โดยการเกิดโพรงอากาศแบบอัลตราโซนิกกราฟีนที่สังเคราะห์สามารถประมวลผลเพิ่มเติมให้เป็นการกระจายตัวของน้ําที่เสถียร
การขัดผิวอัลตราโซนิกของกราฟีนคุณภาพสูง
อัลตราโซนิกเป็นวิธีที่เชื่อถือได้ในการผลิตชั้นกราฟีน (กราฟีนแบบโมโนสองชั้นและไม่กี่ชั้น) จากเกล็ดกราไฟท์หรืออนุภาค ในขณะที่เทคนิคการขัดผิวทั่วไปอื่น ๆ เช่นโรงสีลูกและม้วนหรือเครื่องผสมแรงเฉือนสูงเชื่อมโยงกับคุณภาพต่ําและการใช้รีเอเจนต์และตัวทําละลายที่ก้าวร้าววิธีการขัดผิวอัลตราโซนิกโน้มน้าวใจด้วยผลผลิตที่มีคุณภาพสูงความสามารถในการประมวลผลสูงและสภาพการประมวลผลที่ไม่รุนแรง
โพรงอากาศอัลตราโซนิกสร้างแรงเฉือนที่รุนแรง ซึ่งแยกชั้นกราไฟท์ที่ซ้อนกันออกเป็นชั้นเดียวสองชั้นและสองสามชั้นของกราฟีนที่ปราศจากข้อบกพร่อง
แผ่นกราฟีนที่กระจายตัวได้ด้วยน้ําผ่าน Sonication
อัลตราโซนิกเป็นขั้นตอนที่มีประสิทธิภาพพร้อมผลลัพธ์ที่ทําซ้ําได้เพื่อคลายท่อคาร์บอนนาโนพันกันในน้ําหรือตัวทําละลายอินทรีย์ [/คําบรรยาย] ภายใต้สภาวะปกติกราฟีนแทบจะไม่สามารถกระจายตัวได้ในน้ําและก่อตัวเป็นมวลรวมและการรวมตัวกันเมื่อกระจายตัวในตัวกลางที่เป็นน้ํา เนื่องจากระบบที่เป็นน้ํามีข้อได้เปรียบที่สําคัญคือราคาไม่แพงปลอดสารพิษเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมระบบกราฟีนที่ใช้น้ําจึงน่าสนใจอย่างมากสําหรับผู้ผลิตกราฟีนและอุตสาหกรรมปลายน้ํา
เพื่อให้ได้แผ่นนาโนกราฟีนที่กระจายตัวได้ด้วยน้ํากราฟีนที่ขัดผิวด้วยอัลตราโซนิกจะถูกดัดแปลงด้วยโพลีแซ็กคาไรด์ / ไบโอพอลิเมอร์เช่นพูลลูแลนไคโตซานอัลจิเนตเจลาตินหรือกัมอารบิก
- กราฟีนคุณภาพสูง
- ผลผลิตสูง
- การกระจายตัวของน้ํา
- ความเข้มข้นสูง
- ประสิทธิภาพสูง
- กระบวนการที่รวดเร็ว
- ต้นทุนต่ํา
- ปริมาณงานสูง
- เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม
เครื่องปฏิกรณ์อัลตราโซนิกพร้อมเครื่องอัลตราโซนิกชนิดโพรบสําหรับการขัดผิวกราฟีนในระดับอุตสาหกรรม
โปรโตคอลการขัดผิวโดยตรงของกราไฟท์โดยใช้อัลตราโซนิก
พูลลูแลนที่ไม่ใช่ไอออนิกและอัลจิเนตประจุลบ (1.0 กรัม) ถูกละลายแยกกันในน้ํากลั่น 20 มล. ในขณะที่ไคโตซานประจุบวก (0.4 กรัม) ถูกละลายในน้ํากลั่น 20 มล. ที่มีกรดอะซิติก 1 wt% ผงกราไฟท์กระจายตัวในสารละลายไบโอพอลิเมอร์ในน้ําและผ่านการบําบัดโดยใช้เครื่องอัลตราโซนิกชนิดโพรบ UP200S (กําลังสูงสุด 200 W, ความถี่ 24 kHz, Hielscher Ultrasonics, เยอรมนี) พร้อมกับไทเทเนียม sonotrode (ปลายไมโคร S3, เส้นผ่านศูนย์กลางปลาย 3 มม., แอมพลิจูดสูงสุด 210μm, ความหนาแน่นของพลังงานเสียงหรือความเข้มของพื้นผิว 460 W cm-2) ภายใต้เงื่อนไขต่อไปนี้: 0.5 รอบและแอมพลิจูด 50%, เป็นระยะเวลา 10, 20, 30 และ 60 นาทีตามลําดับ ผลลัพธ์ที่ดีที่สุดได้ที่ sonication 30 นาที Sonication ถูกนําไปใช้ที่กําลังไฟ 16.25 W เป็นเวลา 30 นาทีโดยมีการใช้พลังงาน (พลังงานต่อหน่วยปริมาตร) 731 Ws ml-1
ต่อจากนั้นสารผสมถูกหมุนเหวี่ยงที่ความเร็ว 1500 รอบต่อนาทีเป็นเวลา 60 นาทีเพื่อขจัดอนุภาคกราไฟท์ที่ไม่ได้ขัดผิวจากนั้นล้าง 5 ครั้งและหมุนเหวี่ยงอีกครั้งที่ 5000 รอบต่อนาทีเป็นเวลา 20 นาทีเพื่อขจัดโพลีเมอร์ชีวภาพส่วนเกิน สารละลายสีเทาเข้มที่ได้จะถูกดูดแห้งด้วยสุญญากาศที่ 40ºC จนไม่มีการสูญเสียมวล ผงโพลีเมอร์-กราฟีนที่ได้ถูกกระจายตัวในน้ํา (1 มก. ml-1 สําหรับพูลลูแลนและไคโตซาน 0.18 มก. ml-1 สําหรับอัลจิเนต) เพื่อกําหนดลักษณะ แผ่นกราฟีนที่ได้จากอัลตราโซนิกช่วยพูลลูแลนอัลจิเนตและไคโตซานถูกระบุว่าเป็น pull-G, alg-G และ chit-G ตามลําดับ
จากทั้งสามระบบ พูลลูแลนและไคโตซานมีประสิทธิภาพในการขัดผิวกราไฟท์มากกว่าอัลจิเนต วิธีนี้ให้แผ่นกราฟีนแบบโมโน สองชั้น และไม่กี่ชั้นที่ขัดผิวโดยมีข้อบกพร่องด้านข้าง (ขอบ) ต่ําเท่านั้น การดูดซับไบโอโพลิเมอร์บนพื้นผิวกราฟีนให้ความเสถียรที่ยาวนาน (มากกว่า 6 เดือน) ของการกระจายตัวของน้ํา
(อ้างอิง Unalan et al. 2015)
ลําดับความเร็วสูง (จาก a ถึง f) ของเฟรมที่แสดงให้เห็นถึงการขัดผิวแบบกลไกของเกล็ดกราไฟท์ในน้ํา ใช้ UP200S เครื่องอัลตราโซนิก 200W พร้อม sonotrode 3 มม. ลูกศรแสดงตําแหน่งของการแยก (การขัดผิว) โดยมีฟองอากาศที่แทรกซึมเข้าไปในการแยก
(การศึกษาและรูปภาพ: © Tyurnina et al. 2020
ภาพ TEM ของ pull-G สําหรับ: (a) 10 นาที; (ข) 20 นาที (ค) 30 นาที (ง) 60 นาที chit-G เป็นเวลา 30 นาที (f) alg-G เป็นเวลา 30 นาที (Unalan et al. 2015)
เครื่องอัลตราโซนิกสําหรับการขัดผิวกราฟีน
โปรเซสเซอร์อัลตราโซนิกกําลังสูงของ Hielscher ถูกนํามาใช้ทั่วโลกสําหรับการขัดผิวและการกระจายตัวของกราไฟท์และกราฟีนที่ประสบความสําเร็จ เครื่องกระจายอัลตราโซนิกของเรามีจําหน่ายตั้งแต่ห้องปฏิบัติการและแบบตั้งโต๊ะไปจนถึงหน่วยการผลิตทางอุตสาหกรรมเต็มรูปแบบ นอกจากความทนทานการทํางานตลอด 24 ชั่วโมงทุกวันและการบํารุงรักษาต่ําแล้วเครื่องอัลตราโซนิก Hielscher ยังโน้มน้าวใจด้วยความสะดวกในการประมวลผลสูงและความสามารถในการปรับขนาดเชิงเส้น
กระบวนการสามารถทดสอบและปรับให้เหมาะสมได้อย่างง่ายดายในห้องปฏิบัติการ หลังจากนั้น ผลลัพธ์ของกระบวนการทั้งหมดสามารถปรับขนาดเป็นเส้นตรงได้อย่างสมบูรณ์ในระดับการผลิตเชิงพาณิชย์ สิ่งนี้ทําให้ sonication เป็นวิธีการผลิตที่มีประสิทธิภาพและประสิทธิผลสําหรับแผ่นกราฟีนคุณภาพสูงในปริมาณมาก
โปรเซสเซอร์อัลตราโซนิกอุตสาหกรรม Hielscher Ultrasonics สามารถให้แอมพลิจูดที่สูงมาก แอมพลิจูดสูงถึง 200μm สามารถทํางานต่อเนื่องได้อย่างง่ายดายในการทํางานตลอด 24 ชั่วโมงทุกวัน สําหรับแอมพลิจูดที่สูงขึ้นมี sonotrodes อัลตราโซนิกแบบกําหนดเอง เครื่องปฏิกรณ์อัลตราซาวนด์ที่ตรงกันช่วยให้มั่นใจได้ถึงความสามารถในการผลิตแผ่นนาโนกราฟีนคุณภาพสูงที่เชื่อถือได้และปลอดภัย ตลอดจนการกระจายตัวของแผ่นนาโนที่เสถียร
ความทนทานของอุปกรณ์อัลตราโซนิกของ Hielscher ช่วยให้สามารถทํางานได้ตลอด 24 ชั่วโมงทุกวันในงานหนักและในสภาพแวดล้อมที่ต้องการ
ตารางด้านล่างให้ข้อบ่งชี้ถึงความสามารถในการประมวลผลโดยประมาณของเครื่องอัลตราโซนิกของเรา:
| ปริมาณแบทช์ | อัตราการไหล | อุปกรณ์ที่แนะนํา |
|---|---|---|
| 10 ถึง 2000 มล. | 20 ถึง 400 มล. / นาที | UP200 ฮิต, UP400ST |
| 0.1 ถึง 20L | 0.2 ถึง 4L / นาที | UIP2000hdt |
| 10 ถึง 100L | 2 ถึง 10L / นาที | ยูไอพี 4000 |
| ไม่ | 10 ถึง 100L / นาที | UIP16000 |
| ไม่ | ขนาด ใหญ่ | คลัสเตอร์ของ UIP16000 |
ติดต่อเรา! / ถามเรา!
กลไกการขัดผิวอัลตราโซนิกของแผ่นนาโน 2 มิติ
(การศึกษาและกราฟิก: Tyurnina et al., 2020)
ข้อเท็จจริงที่ควรค่าแก่การรู้
กราฟีน
กราฟีนเป็นชั้นเดียวของ sp2- อะตอมของคาร์บอนที่ถูกผูกมัด กราฟีนมีลักษณะเฉพาะของวัสดุ เช่น พื้นที่ผิวจําเพาะขนาดใหญ่เป็นพิเศษ (2620 ม.2g-1) คุณสมบัติทางกลที่เหนือกว่าด้วยโมดูลัสของ Young ที่ 1 TPa และความแข็งแรงที่แท้จริง 130 GPa การนําไฟฟ้าที่สูงมาก (ความเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนที่อุณหภูมิห้อง 2.5 × 105 ซม.2 V-1s-1) การนําความร้อนสูงมาก (สูงกว่า 3000 W m K-1) เพื่อตั้งชื่อคุณสมบัติที่สําคัญที่สุด เนื่องจากคุณสมบัติของวัสดุที่เหนือกว่ากราฟีนจึงถูกนํามาใช้อย่างมากในการพัฒนาและผลิตแบตเตอรี่ประสิทธิภาพสูงเซลล์เชื้อเพลิงเซลล์แสงอาทิตย์ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ที่เก็บไฮโดรเจนโล่แม่เหล็กไฟฟ้าและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ นอกจากนี้ กราฟีนยังรวมอยู่ในนาโนคอมโพสิตและวัสดุคอมโพสิตหลายชนิดเป็นสารเสริมแรง เช่น ในโพลีเมอร์ เซรามิก และเมทริกซ์โลหะ เนื่องจากการนําไฟฟ้าสูง กราฟีนจึงเป็นส่วนประกอบสําคัญของสีและหมึกนําไฟฟ้า
รวดเร็วและปลอดภัย การเตรียมอัลตราโซนิกของกราฟีนที่ปราศจากข้อบกพร่อง ในปริมาณมากด้วยต้นทุนต่ําช่วยให้สามารถขยายการประยุกต์ใช้กราฟีนไปยังอุตสาหกรรมได้มากขึ้นเรื่อยๆ
วรรณกรรม/อ้างอิง
- 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 ผลิตโฮโมจีไนเซอร์อัลตราโซนิกประสิทธิภาพสูงจาก ห้องทดลอง ถึง ขนาดอุตสาหกรรม