Sonofragmentation – Η επίδραση του υπερήχου ισχύος στη θραύση σωματιδίων
Ο Sonofragmentation περιγράφει τη θραύση σωματιδίων σε θραύσματα νανομεγέθους με υπερήχους υψηλής ισχύος. Σε αντίθεση με την κοινή υπερηχητική αποσυσσωμάτωση και άλεση – όπου τα σωματίδια αλέθονται και διαχωρίζονται κυρίως από σύγκρουση μεταξύ σωματιδίων – , η sono-fragementation διακρίνεται από την άμεση αλληλεπίδραση μεταξύ σωματιδίων και κρουστικού κύματος. Ο υπέρηχος υψηλής ισχύος / χαμηλής συχνότητας δημιουργεί σπηλαίωση και συνεπώς έντονες δυνάμεις διάτμησης σε υγρά. Οι ακραίες συνθήκες κατάρρευσης φυσαλίδων σπηλαίωσης και ιδιαίτερης σύγκρουσης αλέθουν σωματίδια σε υλικό πολύ λεπτού μεγέθους.
Υπερήχων παραγωγή και προετοιμασία νανοσωματιδίων
Τα αποτελέσματα των υπερήχων ισχύος για την παραγωγή νανοϋλικών είναι γνωστά: Διασπορά, Αποσυσσωμάτωση και Άλεση & Λείανση καθώς και κατακερματισμός με υπερήχους είναι συχνά η μόνη αποτελεσματική μέθοδος για τη θεραπεία νανοσωματίδια. Αυτό ισχύει ιδιαίτερα όταν πρόκειται για πολύ λεπτά νανοϋλικά με ειδικές λειτουργίες, όπως με το νανομέγεθος, εκφράζονται μοναδικά χαρακτηριστικά σωματιδίων. Για να δημιουργηθεί νανοϋλικό με συγκεκριμένες λειτουργίες, πρέπει να εξασφαλιστεί μια ομοιόμορφη και αξιόπιστη διαδικασία υπερήχων. Hielscher προμήθειες υπερήχων εξοπλισμού από εργαστηριακή κλίμακα σε πλήρες εμπορικό μέγεθος παραγωγής.
Sono-κατακερματισμός με σπηλαίωση
Η είσοδος ισχυρών υπερηχητικών δυνάμεων σε υγρά δημιουργεί ακραίες συνθήκες. Όταν ο υπέρηχος διαδίδει ένα υγρό μέσο, τα υπερηχητικά κύματα οδηγούν σε εναλλασσόμενους κύκλους συμπίεσης και αραίωσης (κύκλοι υψηλής πίεσης και χαμηλής πίεσης). Κατά τη διάρκεια των κύκλων χαμηλής πίεσης, μικρές φυσαλίδες κενού προκύπτουν στο υγρό. Αυτοί σπηλαίωση Οι φυσαλίδες αναπτύσσονται σε αρκετούς κύκλους χαμηλής πίεσης μέχρι να επιτύχουν ένα μέγεθος όταν δεν μπορούν να απορροφήσουν περισσότερη ενέργεια. Σε αυτή την κατάσταση μέγιστης απορροφημένης ενέργειας και μεγέθους φυσαλίδων, η φυσαλίδα σπηλαίωσης καταρρέει βίαια και δημιουργεί τοπικά ακραίες συνθήκες. Λόγω της κατάρρευσης του σπηλαίωση φυσαλίδες, πολύ υψηλές θερμοκρασίες περίπου 5000K και πιέσεις περίπου 2000atm επιτυγχάνονται τοπικά. Η κατάρρευση έχει ως αποτέλεσμα πίδακες υγρού ταχύτητας έως 280m/s (≈1000km/h). Ο κατακερματισμός Sono περιγράφει τη χρήση αυτών των έντονων δυνάμεων για τον κατακερματισμό σωματιδίων σε μικρότερες διαστάσεις στην περιοχή sub-micron και nano. Με μια προοδευτική υπερήχηση, το σχήμα των σωματιδίων μετατρέπεται από γωνιακό σε σφαιρικό, γεγονός που καθιστά τα σωματίδια πιο πολύτιμα. Τα αποτελέσματα του sonofragmentation εκφράζονται ως ρυθμός κατακερματισμού, ο οποίος περιγράφεται ως συνάρτηση της εισόδου ισχύος, του όγκου με υπερήχους και του μεγέθους των συσσωματωμάτων.
Οι Kusters et al. (1994) διερεύνησαν τον υπερηχητικά υποβοηθούμενο κατακερματισμό των συσσωματωμάτων σε σχέση με την κατανάλωση ενέργειας. Τα αποτελέσματα των ερευνητών "δείχνουν ότι η τεχνική διασποράς υπερήχων μπορεί να είναι εξίσου αποτελεσματική με τις συμβατικές τεχνικές λείανσης. Η βιομηχανική πρακτική της υπερηχητικής διασποράς (π.χ. μεγαλύτεροι ανιχνευτές, συνεχής απόδοση εναιωρήματος) μπορεί να αλλάξει κάπως αυτά τα αποτελέσματα, αλλά γενικά αναμένεται ότι η ειδική κατανάλωση ενέργειας δεν είναι ο λόγος για την επιλογή αυτής της τεχνικής comminutron αλλά μάλλον η ικανότητά της να παράγει εξαιρετικά λεπτά σωματίδια (submicron). [Kusters κ.ά. 1994] Ειδικά για τη διάβρωση των σκονών όπως Πυριτίου ή ζιργκόν, η ειδική ενέργεια που απαιτείται ανά μονάδα μάζας σκόνης βρέθηκε να είναι χαμηλότερη με υπερηχητική λείανση από εκείνη των συμβατικών μεθόδων λείανσης. Υπερήχους επηρεάζει τα σωματίδια όχι μόνο με άλεση και λείανση, αλλά και με στίλβωση των στερεών. Με αυτόν τον τρόπο, μπορεί να επιτευχθεί υψηλή σφαιρικότητα των σωματιδίων.
Sono-fragmentation για την κρυστάλλωση νανοϋλικών
«Ενώ δεν υπάρχει αμφιβολία ότι οι συγκρούσεις μεταξύ σωματιδίων συμβαίνουν σε πολτούς μοριακών κρυστάλλων ακτινοβολημένων με υπερήχους, δεν είναι η κυρίαρχη πηγή κατακερματισμού. Σε αντίθεση με τους μοριακούς κρυστάλλους, τα μεταλλικά σωματίδια δεν καταστρέφονται άμεσα από τα κρουστικά κύματα και μπορούν να επηρεαστούν μόνο από τις πιο έντονες (αλλά πολύ πιο σπάνιες) συγκρούσεις μεταξύ σωματιδίων. Η μετατόπιση των κυρίαρχων μηχανισμών για την υπερήχηση των μεταλλικών σκονών έναντι των πολτών ασπιρίνης υπογραμμίζει τις διαφορές στις ιδιότητες των ελατών μεταλλικών σωματιδίων και των εύθρυπτων μοριακών κρυστάλλων. [Zeiger/ Suslick 2011, 14532]
Οι Gopi et al. (2008) διερεύνησαν την κατασκευή κεραμικών σωματιδίων αλουμίνας υπομικρομέτρου υψηλής καθαρότητας (κυρίως σε εύρος κάτω των 100 nm) από τροφοδοσία μεγέθους μικρομέτρου (π.χ. 70-80 μm) χρησιμοποιώντας sonofragmentation. Παρατήρησαν μια σημαντική αλλαγή στο χρώμα και το σχήμα των κεραμικών σωματιδίων αλουμίνας ως αποτέλεσμα του sono-κατακερματισμού. Τα σωματίδια σε εύρος micron, submicron και nano μεγέθους μπορούν εύκολα να ληφθούν με υπερήχους υψηλής ισχύος. Η σφαιρικότητα των σωματιδίων αυξήθηκε με την αύξηση του χρόνου κατακράτησης στο ακουστικό πεδίο.
Διασπορά σε επιφανειοδραστική ουσία
Λόγω της αποτελεσματικής θραύσης σωματιδίων υπερήχων, η χρήση επιφανειοδραστικών ουσιών είναι απαραίτητη για την πρόληψη της αποσυσσωμάτωσης των σωματιδίων υπομικρού και νανομεγέθους που λαμβάνονται. Όσο μικρότερο είναι το μέγεθος των σωματιδίων, τόσο υψηλότερος είναι ο λόγος της επιφάνειας, η οποία πρέπει να καλύπτεται με επιφανειοδραστική ουσία για να διατηρούνται σε αιώρηση και να αποφεύγεται η συνένωση των σωματιδίων (συσσωμάτωση). Το πλεονέκτημα της υπερήχων έγκειται στο αποτέλεσμα διασποράς: Ταυτόχρονα με την άλεση και τον κατακερματισμό, οι υπέρηχοι διασκορπίζουν τα αλεσμένα θραύσματα σωματιδίων με το επιφανειοδραστικό, έτσι ώστε η συσσώρευση των νανοσωματιδίων να αποφεύγεται (σχεδόν) εντελώς.

Οι ομογενοποιητές υπερήχων είναι αποτελεσματικοί και αξιόπιστοι για τη διασπορά νανοσωματιδίων σε νερό ή διαλύτες. Η εικόνα δείχνει το εργαστήριο υπερήχων UP100H.
βιομηχανική παραγωγή
Για την εξυπηρέτηση της αγοράς με υψηλής ποιότητας νανοϋλικά που εκφράζουν εξαιρετικές λειτουργίες, απαιτείται αξιόπιστος εξοπλισμός επεξεργασίας. Υπερήχων με έως 16kW ανά μονάδα που είναι clusterizable επιτρέπουν fort he επεξεργασία των σχεδόν απεριόριστων ροών όγκου. Λόγω της πλήρως γραμμικής επεκτασιμότητας των υπερηχητικών διεργασιών, οι εφαρμογές υπερήχων μπορούν να δοκιμαστούν χωρίς κίνδυνο στο εργαστήριο, να βελτιστοποιηθούν σε κλίμακα πάγκου και στη συνέχεια να εφαρμοστούν χωρίς προβλήματα στη γραμμή παραγωγής. Δεδομένου ότι ο εξοπλισμός υπερήχων δεν απαιτεί μεγάλο χώρο, μπορεί ακόμη και να τοποθετηθεί εκ των υστέρων σε υπάρχουσες ροές διαδικασίας. Η λειτουργία είναι εύκολη και μπορεί να παρακολουθείται και να εκτελείται μέσω τηλεχειριστηρίου, ενώ η συντήρηση ενός συστήματος υπερήχων είναι σχεδόν αμελητέα.

Κατανομή μεγέθους σωματιδίων και εικόνες SEM του κράματος με βάση το Bi2Te3 πριν και μετά την άλεση υπερήχων. ένας – Κατανομή μεγέθους σωματιδίων. b – Εικόνα SEM πριν από την άλεση υπερήχων. c – Εικόνα SEM μετά από άλεση υπερήχων για 4 ώρες. d – Εικόνα SEM μετά από άλεση υπερήχων για 8 ώρες.
πηγή: Marquez-Garcia et al. 2015.
Επικοινωνήστε μαζί μας! / Ρωτήστε μας!
Βιβλιογραφία / Αναφορές
- Ambedkar, B. (2012): Ultrasonic Coal-Wash for De-Ashing and De-Sulfurization: Experimental Investigation and Mechanistic Modeling. Springer, 2012.
- Eder, Rafael J. P.; Schrank, Simone; Besenhard, Maximilian O.; Roblegg, Eva; Gruber-Woelfler, Heidrun; Khinast, Johannes G. (2012): Continuous Sonocrystallization of Acetylsalicylic Acid (ASA): Control of Crystal Size. Crystal Growth & Design 12/10, 2012. 4733-4738.
- Gopi, K. R.; Nagarajan, R. (2008): Advances in Nanoalumina Ceramic Particle Fabrication Using Sonofragmentation. IEEE Transactions on Nanotechnology 7/5, 2008. 532-537.
- Kusters, Karl; Pratsinis, Sotiris E.; Thoma, Steven G.; Smith, Douglas M. (1994): Energy-size reduction laws for ultrasonic fragmentation. Powder Technology 80, 1994. 253-263.
- Zeiger, Brad W.; Suslick, Kenneth S. (2011): Sonofragementation of Molecular Crystals. Journal of the American Chemical Society. 2011.

Υψηλής απόδοσης υπερήχων UIP2000hdT (2kW, 20kHz) για αποτελεσματική ανάμειξη, ομογενοποίηση, νανοδιασπορά και sonofragmentation σωματιδίων.

Hielscher Υπέρηχοι κατασκευάζει υψηλής απόδοσης υπερήχων ομογενοποιητές από εργαστήριο προς βιομηχανικό μέγεθος.