Suvda dispersiyalanadigan grafenni ultratovush yordamida qatlamlarga ajratish
- Bir va ikki qatlamli grafen nanovaraqlarini ultratovush yordamida qatlamlarga ajratish orqali yuqori ishlab chiqarish unumdorligi va kam xarajat bilan tez tayyorlash mumkin.
- Suvda dispersiyalanadigan grafen olish uchun ultratovush yordamida qatlamlarga ajratilgan grafenni biopolimerlar bilan funksionallashtirish mumkin.
- Ultratovush kavitatsiyasi yordamida sintezlangan grafenga keyingi ishlov berib, uni suv asosidagi barqaror dispersiyaga aylantirish mumkin.
Yuqori sifatli grafenni ultratovush yordamida qatlamlarga ajratish
Ultratovush bilan ishlov berish grafit tangachalari yoki zarrachalaridan grafen qatlamlarini (bir, ikki va bir necha qatlamli grafen) olishning ishonchli usulidir. Sharli va valikli tegirmonlar yoki yuqori siljish kuchlarini hosil qiluvchi aralashtirgichlar kabi boshqa keng tarqalgan qatlamlarga ajratish usullari past sifat hamda agressiv reagentlar va erituvchilardan foydalanish bilan bogʻliq boʻlsa, ultratovush yordamida qatlamlarga ajratish usuli yuqori sifatli mahsuloti, yuqori ishlov berish quvvati va yumshoq ishlov berish sharoitlari bilan ajralib turadi.
Ultratovush kavitatsiyasi kuchli siljish kuchlarini hosil qiladi; ular ustma-ust joylashgan grafit qatlamlarini nuqsonsiz grafenning bir, ikki va bir necha qatlamiga ajratadi.
Ultratovush bilan ishlov berish orqali suvda dispersiyalanadigan grafen varaqlarini olish
Ultratovush bilan ishlov berish suv yoki organik erituvchilarda uglerod nanonaychalarining chigallarini yechish uchun takrorlanuvchan natijalar beradigan samarali usuldir.[/caption]Odatiy sharoitlarda grafen suvda juda qiyin dispersiyalanadi va suvli muhitda dispersiyalanganda agregatlar hamda aglomeratlar hosil qiladi. Suvli tizimlar arzonligi, zaharli emasligi va atrof-muhitga zararsizligi kabi muhim afzalliklarga ega boʻlgani uchun suv asosidagi grafen tizimlari grafen ishlab chiqaruvchilar va undan keyingi ishlov berish hamda mahsulot ishlab chiqarishda foydalanuvchi sanoat tarmoqlari uchun juda jozibadordir.
Suvda dispersiyalanadigan grafen nanovaraqlarini olish uchun ultratovush yordamida qatlamlarga ajratilgan grafen pullulan, xitozan, alginat, jelatin yoki gumiarabik kabi polisaxaridlar / biopolimerlar bilan modifikatsiyalanadi.
- yuqori sifatli grafen
- yuqori mahsulot chiqimi
- suv asosidagi dispersiya
- yuqori konsentratsiya
- yuqori samaradorlik
- tez jarayon
- kam xarajat
- yuqori ishlab chiqarish unumdorligi
- atrof-muhitga zararsiz
Grafenni sanoat miqyosida qatlamlarga ajratish uchun zond turidagi ultratovush qurilmalari bilan jihozlangan ultratovush reaktori
Ultratovush yordamida grafitni bevosita qatlamlarga ajratish protokoli
Noion pullulan va anion alginat (1,0 g) alohida-alohida 20 ml distillangan suvda eritildi, kation xitozan (0,4 g) esa massa boʻyicha 1 wt% sirka kislotasi boʻlgan 20 ml distillangan suvda eritildi. Grafit kukuni biopolimerlarning suvli eritmalarida dispersiyalandi va titan sonotrod (S3 mikrouchi, uch diametri 3 mm, maksimal amplitudasi 210µm, akustik quvvat zichligi yoki sirt intensivligi 460 W cm-2) bilan jihozlangan UP200S zond turidagi ultratovush qurilmasi (maksimal quvvati 200 W, chastotasi 24 kHz, Hielscher Ultrasonics, Germaniya) yordamida quyidagi sharoitlarda ishlov berildi: 0,5 sikl va 50% amplituda, mos ravishda 10, 20, 30 va 60 min davomida. Eng yaxshi natijalar 30min ultratovush bilan ishlov berilganda olindi. Ultratovush bilan ishlov berish 16,25 W quvvatda 30 daqiqa davomida amalga oshirildi, bunda energiya sarfi (hajm birligiga toʻgʻri keladigan energiya chiqishi) 731 Ws ml-1 boʻldi.
Keyin aralashmalar qatlamlarga ajralmagan grafit zarrachalarini olib tashlash uchun 1500 rpm tezlikda 60 min davomida sentrifugalandi, soʻngra 5 marta yuvildi va ortiqcha biopolimerlarni olib tashlash uchun yana 5000 rpm tezlikda 20 min davomida sentrifugalandi. Hosil boʻlgan toʻq kulrang eritmalar massa kamayishi toʻxtaguncha 40ºC da vakuumda quritildi. Olingan polimer–grafen kukunlari xususiyatlarini aniqlash uchun suvda qayta dispersiyalandi (pullulan va xitozan uchun 1 mg ml-1; alginat uchun 0,18 mg ml-1). Pullulan, alginat va xitozan yordamida ultratovush bilan ishlov berish orqali olingan grafen varaqlari mos ravishda pull-G, alg-G va chit-G deb belgilandi.
Uch tizim orasida pullulan va xitozan grafitni qatlamlarga ajratishda alginatga qaraganda samaraliroq boʻldi. Bu usul faqat kam darajadagi yon tomon (chet) nuqsonlariga ega, qatlamlarga ajratilgan bir, ikki va bir necha qatlamli grafen varaqlarini berdi. Biopolimerlarning grafen sirtiga adsorbsiyalanishi suvli dispersiyaning uzoq muddatli (6 oydan ortiq) barqarorligini taʼminlaydi.
(qiyoslang: Unalan et al. 2015)
Suvdagi grafit tangachasining sonomexanik qatlamlarga ajralishini koʻrsatuvchi yuqori tezlikdagi kadrlar ketma-ketligi (a dan f gacha) 3-mm sonotrodli 200W ultratovush qurilmasi – UP200S yordamida olingan. Strelkalar kavitatsiya pufakchalari yoriqqa kirib borayotgan ajralish (qatlamlarga ajralish) joyini koʻrsatadi.
(tadqiqot va rasmlar: © Tyurnina et al. 2020
Pull-G ning TEM tasvirlari: (a) 10 min; (b) 20 min; (c) 30 min; (d) 60 min; (e) 30 min davomida ishlov berilgan chit-G; (f) 30 min davomida ishlov berilgan alg-G. (Unalan et al. 2015)
Grafenni qatlamlarga ajratish uchun ultratovush qurilmalari
Hielscher yuqori quvvatli ultratovush protsessorlari butun dunyoda grafit va grafenni muvaffaqiyatli qatlamlarga ajratish hamda dispersiyalash uchun ishlatiladi. Bizning ultratovush disperserlarimiz laboratoriya va stol usti qurilmalaridan tortib toʻliq sanoat ishlab chiqarish qurilmalarigacha mavjud. Mustahkamlik, 24/7 ishlash va kam texnik xizmat talab qilishdan tashqari, Hielscher ultratovush qurilmalari ishlov berishning juda osonligi hamda miqyosni chiziqli oshirish imkoniyati bilan ajralib turadi.
Jarayonlarni laboratoriyada oson sinash va optimallashtirish mumkin. Keyin barcha jarayon natijalarini tijoriy ishlab chiqarish darajasiga toʻliq chiziqli ravishda koʻchirish mumkin. Bu ultratovush bilan ishlov berishni yuqori sifatli grafen varaqlarini katta hajmda ishlab chiqarishning samarali va tejamkor usuliga aylantiradi.
Hielscher Ultrasonics sanoat ultratovush protsessorlari juda yuqori amplitudalarni taʼminlay oladi. 200µm gacha boʻlgan amplitudalarda 24/7 rejimida uzluksiz ishlashni oson amalga oshirish mumkin. Yanada yuqori amplitudalar uchun maxsus tayyorlangan ultratovush sonotrodlari mavjud. Mos ultratovush reaktorlari yuqori sifatli grafen nanovaraqlari hamda barqaror nanovaraq dispersiyalarini ishonchli va xavfsiz ommaviy ishlab chiqarish imkoniyatini taʼminlaydi.
Hielscher ultratovush uskunalarining mustahkamligi katta yuklama ostida va murakkab muhitlarda 24/7 ishlash imkonini beradi.
Quyidagi jadval ultratovush qurilmalarimizning taxminiy ishlov berish quvvati haqida tasavvur beradi:
| Partiya hajmi | Hajmiy oqim tezligi | Tavsiya etiladigan qurilmalar |
|---|---|---|
| 10 dan 2000mL gacha | 20 dan 400mL/min gacha | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 dan 20L gacha | 0,2 dan 4L/min gacha | UIP2000hdT |
| 10 dan 100L gacha | 2 dan 10L/min gacha | UIP4000 |
| n.a. | 10 dan 100L/min gacha | UIP16000 |
| n.a. | kattaroq | quyidagi qurilmalar klasteri: UIP16000 |
Biz bilan bogʻlaning! / Bizdan soʻrang!
2D nanovaraqlarni ultratovush yordamida qatlamlarga ajratish mexanizmi.
(tadqiqot va grafik: Tyurnina et al., 2020)
Bilishga arziydigan faktlar
Grafen
Grafen sp2-bogʻlangan uglerod atomlarining bir qatlamidir. Grafen noyob material xususiyatlariga ega, jumladan, nihoyatda katta solishtirma sirt maydoni (2620 m2 g-1), yuqori mexanik xususiyatlar – Yung moduli 1 TPa va ichki mustahkamligi 130 GPa, nihoyatda yuqori elektron oʻtkazuvchanlik (xona haroratida elektronlar harakatchanligi 2,5 × 105 cm2 V-1 s-1), juda yuqori issiqlik oʻtkazuvchanlik (3000 W m K-1 dan yuqori) – bular uning eng muhim xususiyatlaridir. Yuqori material xususiyatlari tufayli grafen yuqori samarali batareyalar, yoqilgʻi elementlari, quyosh elementlari, superkondensatorlar, vodorod saqlash tizimlari, elektromagnit ekranlar va elektron qurilmalarni ishlab chiqish hamda ishlab chiqarishda keng qoʻllaniladi. Bundan tashqari, grafen koʻplab nanokompozitlar va kompozit materiallarga mustahkamlovchi qoʻshimcha sifatida, masalan, polimerlar, keramika va metall matritsalarga qoʻshiladi. Yuqori oʻtkazuvchanligi tufayli grafen elektr oʻtkazuvchi boʻyoqlar va siyohlarning muhim tarkibiy qismidir.
Kam xarajat bilan katta hajmlarda nuqsonsiz grafenni tez va xavfsiz ultratovush yordamida tayyorlash grafenning qoʻllanish sohalarini tobora koʻproq sanoat tarmoqlariga kengaytirish imkonini beradi.
Adabiyotlar/Manbalar
- 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 yuqori samarali ultratovushli gomogenizatorlarni laboratoriya oʻlchamidan sanoat oʻlchamigacha ishlab chiqaradi.