Ultrazvučno mljevenje termoelektričnih nanopraha

• Istraživanja su pokazala da se ultrazvučno mljevenje može uspješno koristiti za proizvodnju termoelektričnih nanočestica te da ima potencijal za manipulaciju površinama čestica.
• Ultrazvučno mljevene čestice (npr. legura na bazi Bi₂Te₃) pokazale su značajno smanjenje veličine i proizvele nanočestice manje od 10µm.
• Osim toga, ultrazvučna obrada (sonikacija) uzrokuje značajne promjene morfologije površine čestica i time omogućava funkcionalizaciju površine mikro- i nanočestica.

Termoelektrične nanočestice

Termoelektrični materijali pretvaraju toplotnu energiju u električnu na osnovu Seebeckovog i Peltierovog efekta. Time postaje moguće da se teško iskoristiva ili gotovo izgubljena toplotna energija učinkovito pretvori u produktivne primjene. Budući da se termoelektrični materijali mogu uključiti u nove primjene, kao što su biotermalne baterije, termoelektrično hlađenje u čvrstom stanju, optoelektronski uređaji te proizvodnja energije u svemiru i automobilskoj industriji, istraživanje i industrija traže jednostavne i brze tehnike za proizvodnju ekološki prihvatljivih, ekonomičnih i temperaturno stabilnih termoelektričnih nanočestica. Ultrazvučno mljevenje kao i sinteza „odozdo prema gore“ (sonokristalizacija) dva su obećavajuća puta ka brzoj masovnoj proizvodnji termoelektričnih nanomaterijala.

Oprema za ultrazvučno mljevenje

Za smanjenje veličine čestica praha bizmut-telurida (Bi₂Te₃), magnezij-silicida (Mg₂Si) i silicija (Si) korišten je ultrazvučni sistem visokog intenziteta UIP1000hdT (1kW, 20kHz) u postavci s otvorenom čašom. Za sve pokuse amplituda je bila podešena na 140µm. Posuda s uzorkom hladi se u vodenoj kupelji, a temperatura se kontrolira termoparom. Zbog ultrazvučne obrade u otvorenoj posudi korišteno je hlađenje kako bi se spriječilo isparavanje otopina za mljevenje (npr. etanola, butanola ili vode).

(a) Shematski prikaz eksperimentalne postavke. (b) Aparat za ultrazvučno mljevenje. izvor: Marquez-Garcia et al. 2015.

Ultrazvučno mljevenje u trajanju od samo 4h legure Bi₂Te₃ već je dalo značajnu količinu nanočestica veličine između 150 i 400 nm. Osim smanjenja veličine do nanopodručja, ultrazvučna obrada dovela je i do promjene morfologije površine. SEM snimci na donjoj slici b, c i d pokazuju da su oštre ivice čestica prije ultrazvučnog mljevenja nakon njega postale glatke i zaobljene.

Raspodjela veličine čestica i SEM snimci legure na bazi Bi2Te3 prije i poslije ultrazvučnog mljevenja. a – raspodjela veličine čestica; b – SEM snimak prije ultrazvučnog mljevenja; c – SEM snimak nakon ultrazvučnog mljevenja u trajanju od 4 h; d – SEM snimak nakon ultrazvučnog mljevenja u trajanju od 8 h.
izvor: Marquez-Garcia et al. 2015.

Da bi se utvrdilo postižu li se smanjenje veličine čestica i modifikacija površine isključivo ultrazvučnim mljevenjem, provedeni su slični eksperimenti pomoću visokoenergetskog kugličnog mlina. Rezultati su prikazani na sl. 3. Očito je da su čestice od 200–800 nm proizvedene kugličnim mljevenjem u trajanju od 48 h (12 puta duže nego ultrazvučnim mljevenjem). SEM pokazuje da oštre ivice čestica legure Bi₂Te₃ nakon mljevenja ostaju u suštini nepromijenjene. Ovi rezultati ukazuju na to da su glatke ivice jedinstvena karakteristika ultrazvučnog mljevenja. Ušteda vremena ultrazvučnim mljevenjem (4 h naspram 48 h kugličnog mljevenja) također je izuzetna.

Raspodjela veličine čestica i SEM snimci Mg2Si prije i poslije ultrazvučnog mljevenja. (a) Raspodjela veličine čestica; (b) SEM snimak prije ultrazvučnog mljevenja; (c) SEM snimak nakon ultrazvučnog mljevenja u 50% PVP–50% EtOH u trajanju od 2 h.
izvor: Marquez-Garcia et al. 2015.

Marquez-Garcia et al. (2015) zaključuju da ultrazvučno mljevenje može razgraditi prah Bi₂Te₃ i Mg₂Si u manje čestice čije se veličine kreću od 40 do 400 nm, što upućuje na potencijalnu tehniku za industrijsku proizvodnju nanočestica. U poređenju s visokoenergetskim kugličnim mljevenjem, ultrazvučno mljevenje ima dvije jedinstvene karakteristike:

1. 1. pojava jaza u veličini čestica koji razdvaja izvorne čestice od onih proizvedenih ultrazvučnim mljevenjem; i
2. 2. nakon ultrazvučnog mljevenja vidljive su znatne promjene morfologije površine, što ukazuje na mogućnost manipulacije površinama čestica.

Zaključak

Ultrazvučno mljevenje tvrđih čestica zahtijeva ultrazvučnu obradu pod pritiskom radi stvaranja intenzivne kavitacije. Ultrazvučna obrada pod povišenim pritiskom (tzv. manosonikacija) drastično povećava smične sile i naprezanje čestica.
Kontinuirana postavka inline ultrazvučne obrade omogućava veće opterećenje česticama (suspenzija nalik pasti), što poboljšava rezultate mljevenja jer se ultrazvučno mljevenje zasniva na sudaru čestica međusobno.
Ultrazvučna obrada u diskretnoj postavci s recirkulacijom omogućava ujednačen tretman svih čestica i stoga vrlo usku raspodjelu veličine čestica.

Glavna prednost ultrazvučnog mljevenja jeste to što se tehnologija može lako povećati na veće razmjere za proizvodnju velikih količina – komercijalno dostupno, snažno industrijsko ultrazvučno mljevenje može obraditi količine do 10m³/h.

Prednosti ultrazvučnog mljevenja

• Brzo, štedi vrijeme
• Štedi energiju
• Ponovljivi rezultati
• Bez medija za mljevenje (bez kuglica ili perli)
• Niski investicijski troškovi

Visokoučinski ultrazvučni uređaji

Ultrazvučno mljevenje zahtijeva ultrazvučnu opremu velike snage. Da bi se stvorile intenzivne kavitacijske smične sile, ključne su visoke amplitude i pritisak. Industrijski ultrazvučni procesori kompanije Hielscher Ultrasonics mogu isporučiti vrlo visoke amplitude. Amplitude do 200µm mogu se lako kontinuirano koristiti u radu 24/7. Za još više amplitude dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode. U kombinaciji s protočnim reaktorima pod pritiskom kompanije Hielscher stvara se vrlo intenzivna kavitacija, tako da se mogu savladati međumolekulske veze i postižu se učinkoviti efekti mljevenja.
Robusnost ultrazvučne opreme kompanije Hielscher omogućava rad 24/7 pod velikim opterećenjem i u zahtjevnim okruženjima. Digitalno i daljinsko upravljanje, kao i automatsko bilježenje podataka na ugrađenu SD karticu osiguravaju preciznu obradu, ponovljiv kvalitet i omogućavaju standardizaciju procesa.

Prednosti visokoučinskih ultrazvučnih uređaja kompanije Hielscher

• vrlo visoke amplitude
• visoki pritisci
• kontinuirani inline proces
• robusna oprema
• linearno povećanje razmjera
• sigurna i laka za rukovanje
• laka za čišćenje