Ultrazvučno mljevenje termoelektričnih nano-prahova

• Istraživanja su pokazala da se ultrazvučno mljevenje može uspješno koristiti za proizvodnju termoelektričnih nanočestica i da ima potencijal za manipuliranje površinama čestica.
• Ultrazvučno mljevene čestice (npr. Bi₂Te₃legura na bazi) pokazala je značajno smanjenje veličine i proizvela nanočestice s manje od 10 µm.
• Nadalje, sonication proizvodi značajne promjene morfologije površine čestica i na taj način omogućava funkcionalizaciju površine mikro- i nano-čestica.

Termoelektrične nanočestice

Termoelektrični materijali pretvaraju toplotnu energiju u električnu energiju na osnovu Seebeck-ovog i Peltierovog efekta. Na taj način postaje moguće pretvoriti teško upotrebljivu ili skoro izgubljenu toplotnu energiju efektivno u produktivne aplikacije. Budući da se termoelektrični materijali mogu uključiti u nove aplikacije kao što su biotermalne baterije, termoelektrično hlađenje u čvrstom stanju, optoelektronski uređaji, svemir i proizvodnja električne energije u automobilima, istraživanje i industrija tragaju za lakim i brzim tehnikama za proizvodnju ekološki prihvatljivih, ekonomičnih i visokih temperaturno stabilne termoelektrične nanočestice. ultrazvučno glodanje kao i sinteza odozdo prema gore (sono-kristalizacija) su obećavajući putevi za brzu masovnu proizvodnju termoelektričnih nanomaterijala.

Ultrazvučna oprema za glodanje

Za smanjenje veličine čestica bizmut telurida (Bi₂Te₃), magnezijum silicid (Mg₂Si) i silicijum (Si) prah, ultrazvučni sistem visokog intenziteta UIP1000hdT (1kW, 20kHz) korištena je u postavljanju otvorenih čaša. Za sve oglede amplituda je postavljena na 140 µm. Posuda za uzorke se hladi u vodenom kupatilu, temperatura se kontroliše termo-parom. Zbog sonikacije u otvorenoj posudi, hlađenje je korišteno kako bi se spriječilo isparavanje otopina za mljevenje (npr. etanol, butanol ili voda).

(a) Šematski dijagram eksperimentalne postavke. (b) Ultrazvučni aparat za mljevenje. izvor: Marquez-Garcia et al. 2015.

Ultrazvučno mljevenje za samo 4h Bi₂Te₃-legura je već dala značajnu količinu nanočestica veličine između 150 i 400 nm. Osim smanjenja veličine na nano raspon, sonikacija je također rezultirala promjenom morfologije površine. SEM slike na slici ispod b, c i d pokazuju da su oštre ivice čestica prije ultrazvučnog mljevenja postale glatke i okrugle nakon ultrazvučnog mljevenja.

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

Kako bi se utvrdilo da li se smanjenje veličine čestica i modifikacija površine jedinstveno postižu ultrazvučnim mljevenjem, slični eksperimenti su provedeni koristeći visokoenergetski kuglični mlin. Rezultati su prikazani na slici 3. Očigledno je da su čestice od 200–800 nm proizvedene kugličnim mljevenjem u trajanju od 48 h (12 puta duže od ultrazvučnog mljevenja). SEM pokazuje da oštre ivice Bi₂Te₃-čestice legure ostaju suštinski nepromenjene nakon mlevenja. Ovi rezultati pokazuju da su glatke ivice jedinstvene karakteristike ultrazvučnog glodanja. Ušteda vremena ultrazvučnim mlevenjem (4 h prema 48 h kugličnim mlevenjem) je takođe izuzetna.

Raspodjela veličine čestica i SEM slike Mg2Si prije i nakon ultrazvučnog mljevenja. (a) Raspodjela veličine čestica; (b) SEM slika prije ultrazvučnog mljevenja; (c) SEM slika nakon ultrazvučnog mlevenja u 50% PVP–50% EtOH tokom 2 h.
izvor: Marquez-Garcia et al. 2015.

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

1. 1. pojava jaza veličine čestica koji odvaja originalne čestice od onih proizvedenih ultrazvučnim mlevenjem; i
2. 2. značajne promjene u morfologiji površine su očigledne nakon ultrazvučnog mljevenja, što ukazuje na mogućnost manipuliranja površinama čestica.

Zaključak

Ultrazvučno mljevenje tvrđih čestica zahtijeva sonikaciju pod pritiskom da bi se stvorila intenzivna kavitacija. Sonikacija pod povišenim pritiskom (tzv. manosonizacija) drastično povećava sile smicanja i naprezanje čestica.
Kontinuirana inline postavka sonikacije omogućava veće opterećenje česticama (mulj nalik pasti), što poboljšava rezultate mljevenja budući da se ultrazvučno mljevenje temelji na sudaru između čestica.
Sonikacija u diskretnoj recirkulacijskoj postavci omogućava da se osigura homogen tretman svih čestica i stoga vrlo uska distribucija veličine čestica.

Glavna prednost ultrazvučnog mljevenja je ta što se tehnologija može lako proširiti za proizvodnju velikih količina – komercijalno dostupno, snažno industrijsko ultrazvučno mljevenje može podnijeti količine do 10 m³/h.

Prednosti ultrazvučnog glodanja

• Brzo, štedi vrijeme
• uštedu energije
• ponovljivi rezultati
• Bez medija za mljevenje (bez perli ili perli)
• Niski troškovi ulaganja

Ultrasonikatori visokih performansi

Ultrazvučno mljevenje zahtijeva ultrazvučnu opremu velike snage. Kako bi se stvorile intenzivne kavitacijske posmične sile, velike amplitude i pritisak su ključni. Hielscher Ultrasonics’ industrijski ultrazvučni procesori mogu isporučiti vrlo velike amplitude. Amplitude do 200 µm mogu se lako raditi u kontinuitetu u radu 24/7. Za još veće amplitude, dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode. U kombinaciji sa Hielscherovim protočnim reaktorima pod pritiskom, stvara se vrlo intenzivna kavitacija tako da se mogu prevazići međumolekularne veze i postižu efikasni efekti mljevenja.
Robusnost Hielscherove ultrazvučne opreme omogućava 24/7 rad u teškim uslovima iu zahtjevnim okruženjima. Digitalna i daljinska kontrola, kao i automatsko snimanje podataka na ugrađenu SD karticu osiguravaju preciznu obradu, ponovljiv kvalitet i omogućavaju standardizaciju procesa.

Prednosti Hielscher High Performance Ultrasonicators

• veoma velike amplitude
• visoki pritisci
• kontinuirani inline proces
• robusna oprema
• Linearno povećanje
• štedljiv i jednostavan za rukovanje
• Lako se čisti