การขัดผิวกราฟีนสูตรน้ํา
การขัดผิวด้วยอัลตราโซนิกช่วยให้สามารถผลิตกราฟีนไม่กี่ชั้นโดยไม่ต้องใช้ตัวทําละลายที่รุนแรงโดยใช้น้ําบริสุทธิ์เท่านั้น การ sonication กําลังสูงจะหลุดลอกแผ่นกราฟีนภายในการรักษาสั้น ๆ การหลีกเลี่ยงตัวทําละลายทําให้การขัดผิวกราฟีนเป็นกระบวนการที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและยั่งยืน
การผลิตกราฟีนผ่านการขัดผิวแบบของเหลว
กราฟีนผลิตในเชิงพาณิชย์ผ่านสิ่งที่เรียกว่าการขัดผิวแบบของเหลว การขัดผิวกราฟีนในเฟสของเหลวต้องใช้ตัวทําละลายที่เป็นพิษเป็นอันตรายต่อสิ่งแวดล้อมและมีราคาแพงซึ่งใช้เป็นการปรับสภาพทางเคมีหรือร่วมกับ? กับเทคนิคการกระจายตัวทางกล สําหรับการกระจายตัวทางกลของแผ่นกราฟีนอัลตราโซนิกได้รับการจัดตั้งขึ้นเป็นเทคนิคที่มีความน่าเชื่อถือมีประสิทธิภาพและปลอดภัยในการผลิตแผ่นกราฟีนคุณภาพสูงในปริมาณมากในระดับอุตสาหกรรมเต็มรูปแบบ เนื่องจากการใช้ตัวทําละลายที่รุนแรงมักมาพร้อมกับค่าใช้จ่ายการปนเปื้อนการกําจัดและการกําจัดที่ซับซ้อนข้อกังวลด้านความปลอดภัยตลอดจนภาระต่อสิ่งแวดล้อมทางเลือกที่ปลอดสารพิษและปลอดภัยกว่าจึงเป็นประโยชน์อย่างมาก การขัดผิวกราฟีนโดยใช้น้ําเป็นตัวทําละลายและอัลตราซาวนด์พลังงานสําหรับการหลุดลอกทางกลของแผ่นกราฟีนไม่กี่ชั้นจึงเป็นเทคนิคที่มีแนวโน้มสูงสําหรับการผลิตกราฟีนสีเขียว
ตัวทําละลายทั่วไปซึ่งมักใช้เป็นเฟสของเหลวในการกระจายแผ่นนาโนกราฟีน ได้แก่ ไดเมทิลซัลฟอกไซด์ (DMSO), N,N-dimethylformamide (DMF), N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), Tetramethylurea (TMU), Tetrahydrofuran (THF), โพรพิลีนคาร์บอเนตอะซิโตน (PC), เอทานอล และฟอร์มไมด์
ในฐานะที่เป็นเทคนิคที่จัดตั้งขึ้นมาเป็นเวลานานสําหรับการขัดผิวกราฟีนในระดับเชิงพาณิชย์อัลตราโซนิกช่วยให้สามารถผลิตกราฟีนที่มีความบริสุทธิ์สูงด้วยต้นทุนต่ํา เนื่องจากการขัดผิวกราฟีนอัลตราโซนิกสามารถปรับขนาดเชิงเส้นได้อย่างสมบูรณ์เป็นปริมาตรใด ๆ ผลผลิตของเกล็ดกราฟีนคุณภาพสูงจึงสามารถนําไปใช้ได้อย่างง่ายดายสําหรับการผลิตกราฟีนจํานวนมาก

UIP2000hdT เป็นเครื่องกระจายอัลตราโซนิกที่ทรงพลัง 2kW สําหรับการขัดผิวและกระจายตัวของกราฟีน
การขัดผิวอัลตราโซนิกของกราฟีนในน้ํา
Tyurnina et al. (2020) ตรวจสอบผลกระทบของแอมพลิจูดและความเข้มของโซนิเคชั่นต่อสารละลายกราไฟท์น้ําบริสุทธิ์และการขัดผิวกราฟีนที่เกิดขึ้น ในการศึกษาพวกเขาใช้ Hielscher UP200S (200W, 24kHz) การขัดผิวด้วยอัลตราโซนิกโดยใช้น้ําถูกนําไปใช้เป็นขั้นตอนเดียวสําหรับการหลุดลอกกราฟีนไม่กี่ชั้น การรักษาสั้น ๆ 2 ชั่วโมงก็เพียงพอที่จะผลิตกราฟีนไม่กี่ชั้นในการตั้งค่าการ sonication บีกเกอร์แบบเปิด

ลําดับความเร็วสูง (จาก a ถึง f) ของเฟรมที่แสดงให้เห็นถึงการขัดผิวแบบกลไกของเกล็ดกราไฟท์ในน้ํา ใช้ UP200s เครื่องอัลตราโซนิก 24 kHz พร้อมโซโนทรอด 3 มม. ลูกศรแสดงตําแหน่งของการแยก (การขัดผิว) โดยมีฟองอากาศที่แทรกซึมเข้าไปในการแยก
© Tyurnina และคณะ, 2020
การเพิ่มประสิทธิภาพของการขัดผิวกราฟีนอัลตราโซนิก
การตั้งค่าอัลตราโซนิกที่ใช้โดย Tyurnina et al. (2020) สามารถปรับให้เหมาะสมได้อย่างง่ายดายเพื่อประสิทธิภาพที่มากขึ้นและการขัดผิวที่เร็วขึ้นโดยใช้เครื่องปฏิกรณ์อัลตราโซนิกแบบปิดในโหมดการไหลผ่าน การรักษาแบบอินไลน์ด้วยอัลตราโซนิกช่วยให้สามารถรักษาอัลตราโซนิกที่สม่ําเสมอมากขึ้นอย่างมีนัยสําคัญของวัตถุดิบกราไฟท์ทั้งหมด: การป้อนสารละลายกราไฟท์? น้ําโดยตรงในพื้นที่ จํากัด ของโพรงอากาศอัลตราโซนิกกราไฟท์ทั้งหมดจะกลายเป็น sonicated อย่างสม่ําเสมอส่งผลให้ได้ผลผลิตสูงของเกล็ดกราฟีนคุณภาพสูง
ระบบอัลตราโซนิกของ Hielscher ช่วยให้สามารถควบคุมพารามิเตอร์การประมวลผลที่สําคัญทั้งหมดได้อย่างแม่นยําเช่นแอมพลิจูดเวลา? การเก็บรักษาพลังงานอินพุต (Ws? mL) ความดันและอุณหภูมิ การตั้งค่าพารามิเตอร์อัลตราโซนิกที่เหมาะสมที่สุดส่งผลให้ผลผลิตคุณภาพและประสิทธิภาพโดยรวมสูงสุด
Ultrasonication ส่งเสริมการขัดผิวกราฟีนอย่างไร
เมื่อคลื่นอัลตราซาวนด์กําลังสูงถูกควบคู่เข้ากับสารละลายของผงกราไฟท์และน้ําหรือตัวทําละลายใด ๆ แรงโซโนมากลเช่นแรงเฉือนสูงความปั่นป่วนที่รุนแรงและความแตกต่างของความดันและอุณหภูมิสูงจะสร้างสภาวะที่ต้องใช้พลังงานสูง สภาวะที่มีพลังงานสูงเหล่านี้เป็นผลมาจากปรากฏการณ์โพรงอากาศอะคูสติก
อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับโพรงอากาศอัลตราโซนิกที่นี่!
อัลตราซาวนด์กําลังจะเริ่มการขยายตัวของผงกราไฟท์เนื่องจากของเหลวถูกกดระหว่างชั้นกราฟีนซึ่งประกอบด้วยกราไฟท์ แรงเฉือนอัลตราโซนิกจะแยกแผ่นกราฟีนแผ่นเดียวและกระจายตัวเป็นเกล็ดกราฟีนในสารละลาย เพื่อให้ได้ความเสถียรในระยะยาวของกราฟีนในน้ํา จําเป็นต้องมีสารลดแรงตึงผิว

กลไกของการขัดผิวเฟสของเหลวอัลตราโซนิกของการขัดผิวกราฟีน
การศึกษาและภาพโดย Tyurnina et al., 2021
เครื่องอัลตราโซนิกประสิทธิภาพสูงสําหรับการขัดผิวกราฟีน
คุณสมบัติอันชาญฉลาดของเครื่องอัลตราโซนิก Hielscher ได้รับการออกแบบมาเพื่อรับประกันการทํางานที่เชื่อถือได้ผลลัพธ์ที่ทําซ้ําได้และเป็นมิตรกับผู้ใช้ การตั้งค่าการทํางานสามารถเข้าถึงและโทรออกได้อย่างง่ายดายผ่านเมนูที่ใช้งานง่าย ซึ่งสามารถเข้าถึงได้ผ่านหน้าจอสัมผัสสีดิจิตอลและรีโมทคอนโทรลของเบราว์เซอร์ ดังนั้นเงื่อนไขการประมวลผลทั้งหมดเช่นพลังงานสุทธิพลังงานรวมแอมพลิจูดเวลาความดันและอุณหภูมิจะถูกบันทึกโดยอัตโนมัติในการ์ด SD ในตัว สิ่งนี้ช่วยให้คุณสามารถแก้ไขและเปรียบเทียบการขัดผิวก่อนหน้านี้และเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการขัดผิวกราฟีนให้มีประสิทธิภาพสูงสุด
ระบบอัลตราโซนิกของ Hielscher ถูกนํามาใช้ทั่วโลกสําหรับการผลิตแผ่นกราฟีนคุณภาพสูงและกราฟีนออกไซด์ เครื่องอัลตราโซนิกอุตสาหกรรม Hielscher สามารถเรียกใช้แอมพลิจูดสูงได้อย่างง่ายดายในการทํางานต่อเนื่อง (24/7/365) แอมพลิจูดสูงถึง 200μm สามารถสร้างได้อย่างง่ายดายอย่างต่อเนื่องด้วย sonotrodes มาตรฐาน (โพรบอัลตราโซนิก? แตรและ แคสแคทรอเดสทีเอ็ม). สําหรับแอมพลิจูดที่สูงขึ้นมี sonotrodes อัลตราโซนิกแบบกําหนดเอง เนื่องจากความทนทานและการบํารุงรักษาต่ําระบบขัดผิวอัลตราโซนิกของเราจึงได้รับการติดตั้งโดยทั่วไปสําหรับการใช้งานหนักและในสภาพแวดล้อมที่มีความต้องการสูง
โปรเซสเซอร์อัลตราโซนิก Hielscher สําหรับการขัดผิวกราฟีนได้รับการติดตั้งทั่วโลกแล้วในระดับเชิงพาณิชย์ ติดต่อเราตอนนี้เพื่อหารือเกี่ยวกับกระบวนการผลิตกราฟีนของคุณ! พนักงานที่มีประสบการณ์ของเรายินดีที่จะแบ่งปันข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับกระบวนการขัดผิวระบบอัลตราโซนิกและราคา!
หากต้องการเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับการสังเคราะห์กราฟีนอัลตราโซนิกการกระจายตัวและการทํางานโปรดคลิกที่นี่:
- การผลิตกราฟีน
- กราฟีนนาโนเกล็ดเลือด
- การขัดผิวกราฟีนสูตรน้ํา
- กราฟีนกระจายตัวในน้ํา
- กราฟีนออกไซด์
- ซีเนส
ปริมาณแบทช์ | อัตราการไหล | อุปกรณ์ที่แนะนํา |
---|---|---|
1 ถึง 500 มล. | 10 ถึง 200 มล.? นาที | UP100H |
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 | UIP4000hdT |
ไม่ | 10 ถึง 100L? นาที | UIP16000 |
ไม่ | ขนาด ใหญ่ | คลัสเตอร์ของ UIP16000 |
ติดต่อเรา!? ถามเรา!
วรรณกรรม? อ้างอิง
- FactSheet: Ultrasonic Graphene Exfoliation and Dispersion – Hielscher Ultrasonics – english version
- FactSheet: Exfoliación y Dispersión de Grafeno por Ultrasonidos – Hielscher Ultrasonics – spanish version
- 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. 737-747.
(Available under a Creative Commons Attribution 4.0: CC BY-NC-ND 4.0. See full terms here.) - Štengl V., Henych J., Slušná M., Ecorchard P. (2014): Ultrasound exfoliation of inorganic analogues of graphene. Nanoscale Research Letters 9(1), 2014.
- 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.
- Bang, J. H.; Suslick, K. S. (2010): Applications of Ultrasound to the Synthesis of Nanostructured Materials. Advanced Materials 22/2010. pp. 1039-1059.
- Štengl, V.; Popelková, D.; Vlácil, P. (2011): TiO2-Graphene Nanocomposite as High Performance Photocatalysts. In: Journal of Physical Chemistry C 115/2011. pp. 25209-25218.
ข้อเท็จจริงที่ควรค่าแก่การรู้
กราฟีนคืออะไร?
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
การเตรียมกราฟีนที่ปราศจากข้อบกพร่องอย่างรวดเร็วและปลอดภัยในปริมาณมากด้วยต้นทุนต่ําช่วยให้สามารถขยายการประยุกต์ใช้กราฟีนไปยังอุตสาหกรรมได้มากขึ้นเรื่อย ๆ
กราฟีนเป็นชั้นคาร์บอนหนาหนึ่งอะตอม ซึ่งสามารถอธิบายได้ว่าเป็นโครงสร้างชั้นเดียวหรือ 2 มิติของกราฟีน (กราฟีนชั้นเดียว = SLG) กราฟีนมีพื้นที่ผิวจําเพาะที่ใหญ่เป็นพิเศษและคุณสมบัติทางกลที่เหนือกว่า (โมดูลัสของ Young ที่ 1 TPa และความแข็งแรงที่แท้จริงของ 130 GPa) ให้การนําไฟฟ้าและความร้อนที่ยอดเยี่ยม เนื่องจากลักษณะของวัสดุเหล่านี้กราฟีนจึงถูกใช้เป็นสารเติมแต่งเสริมแรงเพื่อให้คอมโพสิตมีความแข็งแรงการนําไฟฟ้า ฯลฯ ในการรวมลักษณะของกราฟีนเข้ากับวัสดุอื่น ๆ กราฟีนจะต้องกระจายตัวลงในสารประกอบหรือใช้เป็นการเคลือบฟิล์มบางลงบนพื้นผิว