การแยกชั้นกราฟีนโดยใช้น้ำ

การแยกชั้นด้วยอัลตราซาวนด์ช่วยให้ผลิตกราฟีนที่มีจำนวนชั้นน้อยได้โดยใช้น้ำบริสุทธิ์เพียงอย่างเดียว โดยไม่ต้องใช้ตัวทำละลายที่มีฤทธิ์รุนแรง การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์กำลังสูงแยกแผ่นกราฟีนออกจากกันได้ภายในระยะเวลาการปรับสภาพที่สั้น การหลีกเลี่ยงการใช้ตัวทำละลายทำให้การแยกชั้นกราฟีนเป็นกระบวนการที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและยั่งยืน

การผลิตกราฟีนด้วยการแยกชั้นในเฟสของเหลว

กราฟีนผลิตในเชิงพาณิชย์ด้วยกระบวนการที่เรียกว่าการแยกชั้นในเฟสของเหลว การแยกชั้นกราฟีนในเฟสของเหลวจำเป็นต้องใช้ตัวทำละลายที่เป็นพิษ เป็นอันตรายต่อสิ่งแวดล้อม และมีราคาแพง โดยใช้ในการปรับสภาพล่วงหน้าทางเคมีหรือใช้ร่วมกับเทคนิคการกระจายตัวเชิงกล สำหรับการกระจายตัวเชิงกลของแผ่นกราฟีน การใช้อัลตราซาวนด์ได้รับการยอมรับว่าเป็นเทคนิคที่เชื่อถือได้อย่างมาก มีประสิทธิภาพ และปลอดภัยในการผลิตแผ่นกราฟีนคุณภาพสูงในปริมาณมากในระดับอุตสาหกรรมเต็มรูปแบบ เนื่องจากการใช้ตัวทำละลายที่มีฤทธิ์รุนแรงมาพร้อมกับค่าใช้จ่าย การปนเปื้อน ความซับซ้อนในการกำจัดออกและการจัดการของเสีย ข้อกังวลด้านความปลอดภัย ตลอดจนภาระต่อสิ่งแวดล้อมเสมอ ทางเลือกที่ไม่เป็นพิษและปลอดภัยกว่าจึงมีข้อได้เปรียบอย่างมาก ดังนั้น การแยกชั้นกราฟีนโดยใช้น้ำเป็นตัวทำละลายและใช้อัลตราซาวนด์กำลังสูงเพื่อแยกแผ่นกราฟีนที่มีจำนวนชั้นน้อยออกจากกันเชิงกล จึงเป็นเทคนิคที่มีศักยภาพสูงอย่างยิ่งสำหรับการผลิตกราฟีนที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม
ตัวทำละลายทั่วไปที่มักใช้เป็นเฟสของเหลวเพื่อกระจายแผ่นกราฟีนระดับนาโน ได้แก่ Dimethyl sulfoxide (DMSO), N,N-dimethylformamide (DMF), N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), Tetramethylurea (TMU), Tetrahydrofuran (THF), propylene carbonateacetone (PC), ethanol และ formamide
ในฐานะเทคนิคที่ได้รับการยอมรับมาเป็นเวลานานสำหรับการแยกชั้นกราฟีนในระดับเชิงพาณิชย์ การใช้อัลตราซาวนด์ช่วยให้ผลิตกราฟีนคุณภาพสูงที่มีความบริสุทธิ์สูงได้ด้วยต้นทุนต่ำ เนื่องจากการแยกชั้นกราฟีนด้วยอัลตราซาวนด์สามารถขยายขนาดแบบเชิงเส้นได้อย่างสมบูรณ์ไปสู่ปริมาตรใดก็ได้ จึงสามารถนำการผลิตเกล็ดกราฟีนคุณภาพสูงที่ให้ผลผลิตนี้ไปใช้ในการผลิตกราฟีนปริมาณมากได้อย่างง่ายดาย

การแยกชั้นกราฟีนในน้ำด้วยอัลตราซาวนด์

Tyurnina et al. (2020) ศึกษาผลของแอมพลิจูดและความเข้มของการใช้อัลตราซาวนด์ต่อสารละลายน้ำบริสุทธิ์–กราไฟต์และการแยกชั้นกราฟีนที่เกิดขึ้น ในการศึกษานี้ พวกเขาใช้ Hielscher UP200S (200W, 24kHz) โดยใช้การแยกชั้นด้วยอัลตราซาวนด์ในน้ำเป็นกระบวนการขั้นตอนเดียวเพื่อแยกกราฟีนที่มีจำนวนชั้นน้อยออกจากกัน การปรับสภาพเป็นเวลาสั้น ๆ เพียง 2h ก็เพียงพอที่จะผลิตกราฟีนที่มีจำนวนชั้นน้อยในชุดอุปกรณ์ใช้อัลตราซาวนด์แบบบีกเกอร์เปิด

ลำดับภาพความเร็วสูง (จาก a ถึง f) แสดงการแยกชั้นเชิงกลด้วยคลื่นเสียงของเกล็ดกราไฟต์ในน้ำ โดยใช้ UP200s ซึ่งเป็นเครื่องอัลตราซาวนด์ความถี่ 24 kHz พร้อมโซโนโทรดขนาด 3-mm ลูกศรแสดงตำแหน่งที่แยกออก (การแยกชั้น) โดยมีฟองคาวิเทชันแทรกเข้าไปในรอยแยก
© Tyurnina et al., 2020

การปรับการแยกชั้นกราฟีนด้วยอัลตราซาวนด์ให้เหมาะสมที่สุด

ชุดอุปกรณ์อัลตราซาวนด์ที่ Tyurnina et al. (2020) ใช้ สามารถปรับให้มีประสิทธิภาพมากขึ้นและแยกชั้นได้เร็วขึ้นอย่างง่ายดาย โดยใช้เครื่องปฏิกรณ์อัลตราซาวนด์แบบปิดในโหมดไหลผ่าน การปรับสภาพด้วยอัลตราซาวนด์ในสายการไหลช่วยให้วัตถุดิบกราไฟต์ทั้งหมดได้รับอัลตราซาวนด์อย่างสม่ำเสมอมากขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ โดยการป้อนสารละลายกราไฟต์ / น้ำเข้าไปในบริเวณจำกัดที่เกิดคาวิเทชันจากอัลตราซาวนด์โดยตรง กราไฟต์ทั้งหมดจะได้รับอัลตราซาวนด์อย่างสม่ำเสมอ ส่งผลให้ได้เกล็ดกราฟีนคุณภาพสูงในปริมาณผลผลิตสูง
ระบบของ Hielscher Ultrasonics ช่วยให้ควบคุมพารามิเตอร์ที่สำคัญทั้งหมดของกระบวนการได้อย่างแม่นยำ เช่น แอมพลิจูด เวลา / เวลาพำนัก พลังงานที่ป้อน (Ws/mL) ความดัน และอุณหภูมิ การตั้งค่าพารามิเตอร์อัลตราซาวนด์ที่เหมาะสมที่สุดส่งผลให้ได้ผลผลิต คุณภาพ และประสิทธิภาพโดยรวมสูงที่สุด

การใช้อัลตราซาวนด์ส่งเสริมการแยกชั้นกราฟีนอย่างไร

เมื่อถ่ายทอดคลื่นอัลตราซาวนด์กำลังสูงเข้าสู่สารแขวนลอยข้นของผงกราไฟต์กับน้ำหรือตัวทำละลายใด ๆ แรงเชิงกลจากคลื่นเสียง เช่น แรงเฉือนสูง ความปั่นป่วนรุนแรง และความแตกต่างของความดันและอุณหภูมิสูง จะสร้างสภาวะที่มีพลังงานเข้มข้น สภาวะที่มีพลังงานเข้มข้นเหล่านี้เป็นผลจากปรากฏการณ์คาวิเทชันจากคลื่นเสียง
อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับคาวิเทชันจากอัลตราซาวนด์ได้ที่นี่!
อัลตราซาวนด์กำลังสูงเริ่มทำให้ผงกราไฟต์ขยายตัว เนื่องจากของไหลถูกอัดเข้าไประหว่างชั้นกราฟีนที่ประกอบกันเป็นกราไฟต์ แรงเฉือนจากอัลตราซาวนด์แยกแผ่นกราฟีนแต่ละแผ่นออกจากกัน และกระจายแผ่นเหล่านี้เป็นเกล็ดกราฟีนในสารละลาย เพื่อให้กราฟีนในน้ำมีเสถียรภาพในระยะยาว จำเป็นต้องใช้สารลดแรงตึงผิว

เครื่องอัลตราซาวนด์สมรรถนะสูงสำหรับการแยกชั้นกราฟีน

คุณสมบัติอัจฉริยะของเครื่องอัลตราซาวนด์ Hielscher ได้รับการออกแบบเพื่อรับประกันการทำงานที่เชื่อถือได้ ผลลัพธ์ที่ทำซ้ำได้ และความสะดวกในการใช้งาน สามารถเข้าถึงและปรับการตั้งค่าการทำงานได้อย่างง่ายดายผ่านเมนูที่ใช้งานได้อย่างเป็นธรรมชาติ ซึ่งเข้าถึงได้ผ่านหน้าจอสัมผัสสีดิจิทัลและการควบคุมระยะไกลผ่านเบราว์เซอร์ ดังนั้น สภาวะของกระบวนการทั้งหมด เช่น พลังงานสุทธิ พลังงานรวม แอมพลิจูด เวลา ความดัน และอุณหภูมิ จึงถูกบันทึกโดยอัตโนมัติลงในการ์ด SD ที่ติดตั้งอยู่ภายใน ซึ่งช่วยให้คุณทบทวนและเปรียบเทียบการใช้อัลตราซาวนด์ในรอบก่อนหน้า และปรับกระบวนการแยกชั้นกราฟีนให้มีประสิทธิภาพสูงที่สุด
ระบบของ Hielscher Ultrasonics ใช้ทั่วโลกในการผลิตแผ่นกราฟีนและกราฟีนออกไซด์คุณภาพสูง เครื่องอัลตราซาวนด์อุตสาหกรรม Hielscher สามารถทำงานด้วยแอมพลิจูดสูงอย่างต่อเนื่อง (24/7/365) ได้อย่างง่ายดาย สามารถสร้างแอมพลิจูดได้สูงถึง 200µm อย่างต่อเนื่องได้อย่างง่ายดายด้วยโซโนโทรดมาตรฐาน (โพรบ / ฮอร์นอัลตราซาวนด์ และ Cascatrodes^TM) สำหรับแอมพลิจูดที่สูงยิ่งขึ้น มีโซโนโทรดอัลตราซาวนด์ที่ผลิตตามความต้องการให้เลือกใช้ ด้วยความทนทานและความต้องการการบำรุงรักษาต่ำ ระบบแยกชั้นด้วยอัลตราซาวนด์ของเราจึงมักได้รับการติดตั้งสำหรับงานหนักและในสภาพแวดล้อมที่มีข้อกำหนดการทำงานสูง

เครื่องประมวลผลด้วยอัลตราซาวนด์ Hielscher สำหรับการแยกชั้นกราฟีนได้รับการติดตั้งทั่วโลกในระดับเชิงพาณิชย์แล้ว ติดต่อเราตอนนี้เพื่อหารือเกี่ยวกับกระบวนการผลิตกราฟีนของคุณ! บุคลากรของเราที่มีประสบการณ์สูงยินดีให้ข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับกระบวนการแยกชั้น ระบบอัลตราซาวนด์ และราคา!