Sonofragmentation - Vliv Power Ultrazvuk na Particle rozbití

Sonofragmentation popisuje rozbití částic do nano velikosti fragmentů vysokého výkonu ultrazvuku. Na rozdíl od běžné ultrazvukové deagglomeration a frézování – kde částice jsou převážně broušeny a oddělené mezi částicemi nárazu – , Sono-fragementation se vyznačuje tím, přímé interakce mezi částicí a rázové vlny. Vysoký výkon / nízké frekvence ultrazvuku vytváří kavitaci a tím intenzivní střihové síly v kapalinách. Extrémních podmínkách kavitačné zhroucení bublin a interpartikulární kolize mletí částic na velmi jemné velikosti materiálu.

Ultrazvukové výrobu a přípravu nanočástic

Účinky energie ultrazvuku pro výrobu nanomateriálů jsou dobře známé: dispergaci rozdružovací a frézování & Broušení, jakož i roztříštění ultrazvuku jsou často jedinou účinnou metodu k léčbě nanočástice, To platí zejména, pokud se jedná o velmi jemné nanomateriály se zvláštním funcionalities například s rozměry nano jedinečné vlastnosti částic jsou vyjádřeny. Chcete-li vytvořit nano materiál se specifickými funkcemi, musí být zajištěno rovnoměrné a spolehlivé procesu ultrazvuku. Hielscher dodává ultrazvukové zařízení z laboratorním měřítku do plného komerčního výrobní velikosti.

Sono-fragmentace kavitace

Vstupní silných ultrazvukových sil do kapalin vytváří extrémní podmínky. Při ultrazvuk šíří kapalného média, ultrazvukové vlny za následek střídavé kompresi a zředění cykly (vysoký tlak a nízký tlak cyklů). V tlakových cyklů nízké, malé Vakuové bubliny vznikají v kapalině. Tyto kavitace bubliny rostou v průběhu několika nízkotlakých cyklů, dokud nedosáhnou velikosti, když nemohou absorbovat více energie. V tomto stavu maximální absorbovaná energie a velikost bublin, bublina kolaps kavitačních násilně a vytváří místně extrémních podmínkách. Vzhledem k implozi z kavitace bubliny, velmi vysoké teploty cca. 5000K a tlaky cca. 2000atm jsou dosaženy místně. Výsledkem implozí jsou rychlosti proudění až 280 m / s (≈ 1000 km / h). Sono-fragmentace popisuje použití těchto intenzivních sil pro fragmentaci částic do menších rozměrů v oblasti sub-micron a nano. Při pokročilé sonikaci se tvar částic změní z úhlu na kuličku, což činí částice cennější. Výsledky sonofragmentace jsou vyjádřeny jako rychlost fragmentace, která je popsána jako funkce příkonu, sonikovaného objemu a velikosti aglomerátů.
Kusters et al. (1994) zkoumal ultraultrasonicky asistované rozdrobení aglomerátů ve vztahu k její spotřebě energie. Výsledky vědců ukazují, že ultrazvuková disperzní technika může být stejně účinná jako konvenční broušení. Průmyslová praxe Ultrazvukové disperze (např. větší sondy, nepřetržitá propustnost suspenze) může tyto výsledky poněkud změnit, ale přesto se předpokládá, že specifická spotřeba energie není důvodem pro výběr tohoto comminutron techniku, ale spíše její schopnost produkovat extrémně jemné (submicronové) částice. " [Kusters et al. 1994] Zvláště pro nahlodává prášky, jako křemen nebo oxid zirkoničitý, specifická energie potřebná na jednotku hmotnosti prášku bylo zjištěno, že nižší ultrazvukovým broušení, než u konvenčních způsobů broušení. Ultrazvuku ovlivňuje částice nejen frézování a broušení, ale také tím, leštění pevných látek. Tím může být dosaženo vysoké kulovitosti částic.

Sono-fragmentace pro krystalizaci nanomateriály

„I když není pochyb o tom, že mezičásticově kolize se vyskytují v suspenzích molekulárních krystalů působení ultrazvuku, nejsou dominantním zdrojem fragmentace. Na rozdíl od Molecular Crystals, kovové částice nejsou poškozeny rázových vln přímo a může být ovlivněna pouze intenzivnější (ale mnohem vzácnější) mezičásticově kolizí. Posun v dominantních mechanismů pro sonikaci kovových prášků oproti aspirinu kaší zvýrazňuje rozdíly ve vlastnostech tvárných kovových částic a sypkých molekulárních krystalů. „[Zeiger / Suslick 2011, 14532]

Sonofragmentation aspirin částic [Zeiger / Suslick 2011]

Gopi et al. (2008) zkoumal výrobu vysoce kvalitních keramických částic oxidu hlinitého (převážně v rozsahu sub100 nm) od krmiva o velikosti mikrometru (např. 70-80 μm) za použití Sonofragmentation. V důsledku sono-roztříštěnosti pozorovali výraznou změnu barvy a tvaru keramických částic oxidu hlinitého. Částice v miconu, submicronu a nanovelikosti mohou být snadno získávány sonenzí vysokého výkonu. Sférita částic se zvýšila s rostoucím retenčním časem v akustických polích.

Disperze v Surfactant

Vzhledem k účinné ultrazvukové rozbití částic, použití povrchově aktivních látek, je nezbytné, aby se zabránilo aglomeraci sub-mikronů a nano velikosti získaných částic. Čím menší je velikost částic, tím vyšší je poměr apect povrchové plochy, která musí být pokryt povrchově aktivní látkou, aby je v suspenzi a aby se zabránilo coagualation částice (aglomerační). Výhodou ultrazvuku spočívá v dispergačním účinkem: Současně s broušení a fragmentace, ultrazvuku dispergovala broušené fragmenty částice s povrchově aktivní látkou tak, že aglomerace často se nanočástice je (téměř) úplně vyhnout.

Průmyslová produkce

Aby společnost sloužila trhu s vysoce kvalitním nano materiálem, který vyjadřuje mimořádné funkce, je zapotřebí spolehlivé zařízení pro zpracování. Ultrazvukové jednotky s kapacitou až 16 kW na jednotku, které jsou schopné klastrování, umožňují zpracování prakticky neomezeného objemového toku. Díky úplné lineární škálovatelnosti ultrazvukových procesů mohou být ultrazvukové aplikace bezchybně testovány v laboratoři, optimalizovány v bench-top měřítku a potom bez problémů implementovány do výrobní linky. Vzhledem k tomu, že ultrazvukové zařízení nevyžaduje velký prostor, může být dokonce dodatečně namontováno do stávajících technologických proudů. Operace je snadná a může být sledována a provozována dálkovým ovládáním, zatímco údržba ultrazvuku je téměř zanedbatelná.

Rozdělení velikosti částic a obrázky ze slitiny na Bi2Te3, před a po ultrazvukové fréze. A – Rozdělení velikosti částic; B – SEM obraz před ultrazvukem frézování; C – Obrázek SEM po Ultrazvukové frézování po dobu 4 h; D – Obrázek SEM po ultrazvukové fréze po dobu 8 h.
Pramen: Marquez-Garcia et al. 2015.

Literatura / Reference