Sonofragmentering - Effekten af ​​effekt Ultralyd på partikelbrud

Sonofragmentation beskriver brud af partikler i nano-størrelse fragmenter ved høj effekt ultralyd. I modsætning til den fælles ultralyd deagglomeration og fræsning – hvor partiklerne hovedsagelig formales og separeret ved interpartikulære kollision – , Sono-fragementation udmærker sig ved den direkte interaktion mellem partikel og chokbølge. Høj effekt / lav frekvens ultralyd skaber kavitation og derved intense forskydningskræfter i væsker. De ekstreme betingelser med cavitational boble kollaps og interpartikulær kollision male partikler til meget fin størrelse materiale.

Ultrasonic Produktion og Fremstilling af nanopartikler

Virkningerne af magt ultralyd til produktion af nanomaterialer er velkendte: dispergere Deagglomeration og fræsning & Formaling samt Fragmentering ved lydbehandling ofte den eneste effektive metode til at behandle nanopartikler. Dette gælder især, når det kommer til meget fine nano materialer med especial funcionalities som med nano størrelse unikke egenskaber partikel udtrykkes. At skabe nano materiale med specifikke funktionaliteter, der skal sikres en jævn og pålidelig sonikering proces. Hielscher leverer ultralyd fra laboratorieskala til fuld kommerciel produktion størrelse.

Sono-Opsplitning af Kavitation

Inputtet af stærke ultralyds kræfter i væsker skaber ekstreme forhold. Når ultralyd udbreder et flydende medium, ultralydbølgerne resulterer i skiftevis kompression og rarefaction cykler (højtryk og lavt tryk cykler). Under de lave trykcyklusser, opstår små vaccum bobler i væsken. Disse kavitation bobler vokser over flere lavtryk cyklusser indtil de opnår en størrelse, når de ikke kan absorbere mere energi. På denne tilstand af maksimum absorberede energi og boblestørrelse, kavitation boble sammenbrud voldsomt og skaber lokalt ekstreme betingelser. På grund af den implosion af kavitation bobler, meget høje temperaturer på ca. 5000K og tryk på ca. 2000atm nås lokalt. Implosionen resulterer i flydende stråler på op til 280m / s (≈1000km / h) hastighed. Sono-fragmentering beskriver anvendelsen af ​​disse intense kræfter til fragmentering af partikler til mindre dimensioner i submikron og nanoområdet. Med en progressiv sonikering, skifter partikelformet fra vinkel til sfærisk, hvilket gør partiklerne mere værdifulde. Resultaterne af sonofragmentering udtrykkes som fragmenteringshastighed, der afskrives som en funktion af effektindgang, sonikeret volumen og størrelsen af ​​agglomeraterne.
Kusters et al. (1994) undersøgte den ultralydassisterede fragmentering af agglomerater i forhold til dets energiforbrug. Forskernes resultater "indikerer, at ultralyddispersions teknikken kan være så effektiv som konventionelle slibe teknikker. Den industrielle praksis af ultralyd dispersion (f. eks større sonder, kontinuerlig gennemløb af suspension) kan ændre disse resultater noget, men over-alt det forventes, at det specifikke energiforbrug ikke er årsagen til udvælgelsen af denne comminutron teknik, men snarere dens evne til at producere meget fine (submicron) partikler. " [Kusters et al. 1994] Specielt til eroderende pulvere såsom Silica eller zirconiumoxid, den specifikke energi, der kræves pr pulvermasse fandtes at være lavere ved ultrasonisk slibning end konventionelle formalingsmetoder. Ultralydbehandling påvirker partiklerne ikke kun ved formaling og slibning, men også ved polering de faste stoffer. Derved kan der opnås en høj sfæricitet af partiklerne.

Sono-fragmentering for Krystallisation af nanomaterialer

”Mens der er næppe tvivl om, at interpartikulære kollisioner forekommer i slam af molekylære krystaller bestrålet med ultralyd, de er ikke den dominerende kilde til fragmentering. I modsætning til molekylære krystaller, der metalpartikler ikke beskadiget af chokbølger direkte og kan påvirkes kun af mere intens (men meget sjældnere) interpartikulære kollisioner. Skiftet i dominerende mekanismer til lydbehandling af metalpulvere versus aspirin opslæmninger fremhæver forskellene i egenskaberne af støbejern metalliske partikler og sprøde molekylære krystaller. ”[Zeiger / Suslick 2011, 14532]

Sonofragmentation af aspirin-partikler [Zeiger / Suslick 2011]

Gopi et al. (2008) undersøgte fremstillingen af submicrometer aluminiumoxid keramiske partikler af høj renhed (fortrinsvis i sub-100 nm-området) fra foder med mikrometer størrelse (f. eks. 70-80 μm) ved hjælp af sonofragmentering. De observerede en signifikant ændring i farve og form af aluminiumoxid keramiske partikler som følge af SONO-fragmentering. Partikler i micron, submikron og nano størrelse rækkevidde kan nemt opnås ved høj effekt sonikering. Partiklernes sfæicitet steg med stigende retentions tid i det akustiske felt.

Dispersion i overfladeaktivt stof

På grund af den effektive ultralyds partikel brud, anvendelse af overfladeaktive midler er vigtigt at forhindre deagglomeration af sub-micron og partikler i nanostørrelse opnået. Jo mindre partikelstørrelsen er, jo højere er apect forhold mellem overfladeareal, der skal dækkes med overfladeaktivt middel for at holde dem i suspension og for at undgå partiklernes coagualation (agglomerering). Fordelen ved ultralydbehandling lægger i dispergeringen effekt: Samtidig med slibning og fragmentering, ultralyd spredte malede partikel fragmenter med det overfladeaktive middel, således at agglomerering oft han nanopartikler er (næsten) fuldstændigt undgås.

Industriel Produktion

For at kunne betjene markedet med nanomateriale af høj kvalitet, der udtrykker ekstraordinære funktionaliteter, kræves pålideligt udstyr. Ultralydapparater med op til 16kW pr. Enhed, der er klyngebare, tillader hurtig behandling af næsten ubegrænsede volumestrømme. På grund af ultralydsprocessernes fuldt lineære skalering kan ultralydsapplikationer testes uden risiko i laboratoriet, optimeret i bænkskala og derefter implementeres uden problemer i produktionslinjen. Da ultralydkomplekset ikke kræver et stort rum, kan det til og med eftermonteres i eksisterende processtrømme. Betjeningen er nem og kan overvåges og køre via fjernbetjeningen, mens vedligeholdelsen af ​​et ultralydsystem næsten er forsømmeligt.

Partikelstørrelsesfordeling og SEM-billeder af Bi2Te3-baseret legering før og efter ultralyds fræsning. A – Partikelstørrelsesfordeling; B – SEM billede før ultralyd fræsning; C – SEM billede efter ultralyd fræsning for 4 h; D – SEM billede efter ultralyd fræsning for 8 h.
Kilde: Marquez-Garcia et al. 2015.

Litteratur / Referencer