Sonofragmentimine - võimsuse ultraheli mõju osakeste purunemisele
Sonofragmentimine kirjeldab osakeste purunemist nano-suurusega fragmentideks suure võimsusega ultraheli abil. Erinevalt tavalisest ultraheli deagglomeratsioonist ja freesimisest – kus osakesi peamiselt jahvatatakse ja eraldatakse osakestevahelise kokkupõrke teel – , sono-fragementatsiooni iseloomustab osakeste ja lööklaine otsene koostoime. Suure võimsusega / madala sagedusega ultraheli tekitab kavitatsiooni ja seeläbi intensiivseid nihkejõude vedelikes. Kavitatsioonimullide kollapsi ja eriomaste kokkupõrgete äärmuslikud tingimused jahvatavad osakesed väga peeneks materjaliks.
nanoosakeste ultraheli tootmine ja ettevalmistamine
Võimsuse ultraheli mõju nanomaterjalide tootmiseks on hästi teada: hajutamine, deagglomeratsioon ja freesimine & Lihvimine samuti Killustumine ultrahelitöötlusega on sageli ainus tõhus ravimeetod nanoosakesed. See kehtib eriti siis, kui tegemist on väga peente nanomaterjalidega, millel on eriline funcionalities nagu nano suuruse puhul väljendatakse unikaalseid osakeste omadusi. Spetsiifiliste funktsioonidega nanomaterjali loomiseks tuleb tagada ühtlane ja usaldusväärne ultrahelitöötlusprotsess. Hielscher tarnib ultraheli seadmeid labori skaalast kuni täieliku kaubandusliku tootmise suuruseni.
MultiSonoReactor MSR-4 on tööstuslik inline homogenisaator, mis sobib osakeste ja nanomaterjalide killustamiseks ja freesimiseks.
Sono-killustumine kavitatsiooniga
Võimas ultraheli jõudude sisestamine vedelikesse loob äärmuslikud tingimused. Kui ultraheli levitab vedelat keskkonda, põhjustavad ultraheli lained vahelduvaid kokkusurumis- ja haruldase tegevuse tsükleid (kõrge rõhu ja madala rõhu tsüklid). Madala rõhu tsüklite ajal tekivad vedelikus väikesed vaakummullid. Need Kavitatsioon Mullid kasvavad mitme madalrõhutsükli jooksul, kuni nad saavutavad suuruse, kui nad ei suuda rohkem energiat absorbeerida. Selles maksimaalse neeldunud energia ja mullide suuruse olekus variseb kavitatsioonimull ägedalt kokku ja loob lokaalselt äärmuslikud tingimused. Implosiooni tõttu Kavitatsioon mullid, väga kõrged temperatuurid ca 5000K ja rõhud ca 2000atm saavutatakse lokaalselt. Implosiooni tulemuseks on vedelikujoad kiirusega kuni 280 m / s (≈1000 km / h). Sono-killustumine kirjeldab nende intensiivsete jõudude kasutamist osakeste killustamiseks väiksematesse mõõtmetesse alammikronite ja nano vahemikus. Progresseeruva ultrahelitöötlusega muutub osakeste kuju nurgast sfääriliseks, mis muudab osakesed väärtuslikumaks. Sonofragmentimise tulemusi väljendatakse killunemiskiirusena, mida kirjeldatakse kui sisendvõimsuse, ultraheliga töödeldud mahu ja aglomeraatide suuruse funktsiooni.
(1994) uuris aglomeraatide ultraheli abil killustumist seoses selle energiatarbimisega. Teadlaste tulemused "näitavad, et ultraheli dispersioonitehnika võib olla sama tõhus kui tavalised lihvimistehnikad. Ultraheli dispersiooni tööstuspraktika (nt suuremad sondid, suspensiooni pidev läbilaskevõime) võib neid tulemusi mõnevõrra muuta, kuid üldiselt eeldatakse, et konkreetne energiatarbimine ei ole selle comminutron-tehnika valiku põhjus, vaid pigem selle võime toota äärmiselt peeneid (submikroni) osakesi. [Kusters et al. 1994] Eriti selliste pulbrite erodeerimiseks nagu Ränidioksiid või tsirkooniumoksiid, leiti, et pulbri massiühiku kohta vajalik spetsiifiline energia on ultraheli jahvatamisel väiksem kui tavapäraste jahvatusmeetodite puhul. Ultraheli mõjutab osakesi mitte ainult jahvatamise ja lihvimise, vaid ka tahkete ainete poleerimise teel. Seeläbi on võimalik saavutada osakeste kõrge sfäärilisus.
Sono-killustumine nanomaterjalide kristalliseerumiseks
"Kuigi pole kahtlust, et osakestevahelised kokkupõrked toimuvad ultraheliga kiiritatud molekulaarsete kristallide lägas, ei ole need domineerivaks killustumise allikaks. Erinevalt molekulaarsetest kristallidest ei kahjusta lööklained otseselt metalliosakesi ja neid võivad mõjutada ainult intensiivsemad (kuid palju harvemad) osakestevahelised kokkupõrked. Metallipulbrite ultrahelitöötluse domineerivate mehhanismide nihkumine võrreldes aspiriini läga toob esile tempermalmist metallosakeste ja murenevate molekulaarsete kristallide omaduste erinevused. [Zeiger/ Suslick 2011, 14532]
Aspiriiniosakeste sonofragmentimine [Zeiger/ Suslick 2011]
Gopi jt (2008) uurisid kõrge puhtusastmega submikromeetriliste alumiiniumoksiidi keraamiliste osakeste (peamiselt alla 100 nm vahemikus) valmistamist mikromeetri suurusest söödast (nt 70–80 μm), kasutades sonofragmentimist. Nad täheldasid sono-killustumise tagajärjel alumiiniumoksiidi keraamiliste osakeste värvi ja kuju olulist muutust. Mikronite, submikronite ja nano suurusega vahemikus olevaid osakesi saab kergesti saada suure võimsusega ultrahelitöötlusega. Osakeste sfäärilisus suurenes akustilises väljas retentsiooniaja pikenemisega.
Dispersioon pindaktiivses aines
Efektiivse ultraheli osakeste purunemise tõttu on pindaktiivsete ainete kasutamine oluline, et vältida saadud sub-mikroni ja nano-suurusega osakeste deagglomeratsiooni. Mida väiksem on osakeste suurus, seda suurem on pindala suhe, mis tuleb katta pindaktiivse ainega, et hoida neid suspensioonis ja vältida osakeste koaguleerumist (aglomeratsiooni). Ultraheli eelis seisneb dispergeerivas efektis: Samaaegselt jahvatamise ja killustumisega hajutasid ultrahelid jahvatatud osakeste fragmendid pindaktiivse ainega nii, et nanoosakeste aglomeratsioon on (peaaegu) täielikult välditud.
Ultraheli homogenisaatorid on tõhusad ja usaldusväärsed nanoosakeste hajutamiseks vees või lahustites. Pildil on labori ultrasonikaator UP100H.
tööstustoodang
Turu teenindamiseks kvaliteetse nanomaterjaliga, mis väljendab erakordseid funktsioone, on vaja usaldusväärseid töötlemisseadmeid. Ultrasonikaatorid, millel on kuni 16kW ühiku kohta, mis on klasterdatavad, võimaldavad fort he töödelda praktiliselt piiramatu mahuga vooge. Ultraheli protsesside täielikult lineaarse mastaapsuse tõttu saab ultraheli rakendusi laboris riskivabalt testida, optimeerida pink-top skaalal ja seejärel rakendada ilma probleemideta tootmisliinile. Kuna ultraheli equiment ei vaja suurt ruumi, saab seda isegi olemasolevatesse protsessivoogudesse moderniseerida. Operatsioon on lihtne ja seda saab jälgida ja käivitada kaugjuhtimispuldi kaudu, samas kui ultraheli süsteemi hooldus on peaaegu tähelepanuta jäetud.
Bi2Te3-põhise sulami osakeste suuruse jaotus ja SEM-pildid enne ja pärast ultraheli freesimist. a – Osakeste suuruse jaotus; b – SEM-pilt enne ultraheli freesimist; c – SEM-pilt pärast ultraheli freesimist 4 tundi; d – SEM-pilt pärast ultraheli freesimist 8 tundi.
allikas: Marquez-Garcia et al. 2015.
Võta meiega ühendust! / Küsi meilt!
Kirjandus / Viited
- 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.
Suure jõudlusega ultrasonikaator UIP2000hdT (2kW, 20kHz) osakeste tõhusaks segamiseks, homogeniseerimiseks, nanodispersiooniks ja sonofragmenteerimiseks.
Hielscher Ultrasonics toodab suure jõudlusega ultraheli homogenisaatoreid rakenduste segamiseks, hajutamiseks, emulgeerimiseks ja ekstraheerimiseks laboris, piloot- ja tööstuslikus mastaabis.
Hielscher Ultrasonics toodab suure jõudlusega ultraheli homogenisaatoreid alates Lab kuni tööstuslik suurus.