Sonofragmentation – اثر سونوگرافی قدرت بر شکستگی ذرات
Sonofragmentation شکستن ذرات به قطعات نانو اندازه توسط سونوگرافی با قدرت بالا را توصیف می کند. در مقابل deagglomeration و فرز اولتراسونیک مشترک – جایی که ذرات عمدتا آسیاب شده و با برخورد بین ذرات از هم جدا می شوند – ، sono-fragementation با برهمکنش مستقیم بین ذره و موج ضربه ای متمایز می شود. سونوگرافی با قدرت بالا / فرکانس پایین باعث ایجاد حفره و در نتیجه نیروهای برشی شدید در مایعات می شود. شرایط شدید فروپاشی حباب حفره ای و برخورد بین گونه ای ذرات را به مواد با اندازه بسیار ریز خرد می کند.
تولید التراسونیک و آماده سازی نانوذرات
اثرات سونوگرافی قدرت برای تولید مواد نانو به خوبی شناخته شده است: پراکندگی، گلوخ زدایی و فرز & سنگ زنی و همچنین تکه تکه شدن توسط فراصوت اغلب تنها روش موثر برای درمان نانو ذرات. این امر به ویژه در مورد نانو مواد بسیار ریز با قابلیت های خاص صادق است، همانطور که در اندازه نانو، ویژگی های منحصر به فرد ذرات بیان می شود. برای ایجاد مواد نانو با قابلیت های خاص، یک فرایند فراصوت یکنواخت و قابل اعتماد باید تضمین شود. Hielscher تجهیزات اولتراسونیک را از مقیاس آزمایشگاهی به اندازه تولید تجاری کامل تامین می کند.
Sono-Fragmentation توسط کاویتاسیون
ورود نیروهای مافوق صوت قدرتمند به مایعات شرایط شدید را ایجاد می کند. هنگامی که سونوگرافی انتشار یک محیط مایع, امواج مافوق صوت منجر به فشرده سازی متناوب و چرخه های نادر (چرخه فشار بالا و فشار کم). در طول چرخه های فشار کم، حباب های خلاء کوچکی در مایع بوجود می آیند. این کاویتاسیون حباب ها در چندین چرخه فشار کم رشد می کنند تا زمانی که به اندازه ای برسند که نمی توانند انرژی بیشتری را جذب کنند. در این حالت حداکثر انرژی جذب شده و اندازه حباب، حباب کاویتاسیون به شدت فرو می ریزد و شرایط شدید محلی را ایجاد می کند. به دلیل انفجار کاویتاسیون حباب ها، دمای بسیار بالا تقریبا 5000K و فشارهای تقریبا 2000atm به صورت محلی به دست می آیند. انفجار منجر به جت های مایع با سرعت 280 متر بر ثانیه (≈1000 کیلومتر در ساعت) می شود. Sono-fragmentation استفاده از این نیروهای شدید برای تکه تکه کردن ذرات به ابعاد کوچکتر در محدوده زیر میکرون و نانو را توصیف می کند. با فراصوت پیشرفته، شکل ذرات از زاویه ای به کروی تبدیل می شود، که باعث می شود ذرات با ارزش تر. نتایج حاصل از sonofragmentation به عنوان نرخ تکه تکه شدن است که به عنوان تابعی از ورودی قدرت توصیف, حجم فراصوت و اندازه agglomerates بیان.
Kusters و همکاران (1994) تکه تکه شدن به کمک اولتراسونیک آگلومراها را در رابطه با مصرف انرژی آن بررسی کردند. نتایج محققان "نشان می دهد که تکنیک پراکندگی اولتراسونیک می تواند به عنوان کارآمد به عنوان تکنیک های سنگ زنی معمولی. عمل صنعتی پراکندگی اولتراسونیک (به عنوان مثال پروب های بزرگتر، توان عملیاتی مداوم تعلیق) ممکن است این نتایج را تا حدودی تغییر دهد، اما به طور کلی انتظار می رود که مصرف انرژی خاص دلیل انتخاب این روش comminutron نیست بلکه توانایی آن برای تولید ذرات بسیار ریز (زیر میکرون) است. [کوسترز و همکاران 1994] به خصوص برای پودرهای فرسایش دهنده مانند سیلیس یا زیرکونیا، انرژی ویژه مورد نیاز در واحد توده پودر با سنگ زنی اولتراسونیک کمتر از روش های سنگ زنی معمولی یافت شد. امواج فراصوت بر ذرات نه تنها با فرز و سنگ زنی، بلکه با پرداخت مواد جامد تأثیر می گذارد. بدین ترتیب، می توان به کروی بالای ذرات دست یافت.
سونو-تکه تکه شدن برای تبلور نانومواد
در حالی که شکی وجود ندارد که برخورد بین ذرات در دوغاب کریستال های مولکولی تابش شده با سونوگرافی رخ می دهد، اما منبع غالب تکه تکه شدن نیستند. برخلاف کریستال های مولکولی، ذرات فلزی به طور مستقیم توسط امواج ضربه ای آسیب نمی بینند و فقط می توانند تحت تأثیر برخوردهای بین ذرات شدیدتر (اما بسیار نادرتر) قرار گیرند. تغییر در مکانیسم های غالب برای فراصوت پودرهای فلز در مقابل دوغاب آسپرین برجسته تفاوت در خواص ذرات فلزی چکش خوار و کریستال های مولکولی شکننده. [زیگر/ سوسلیک 2011، 14532]
Gopi و همکاران (2008) ساخت ذرات سرامیکی آلومینا زیر میکرومتر با خلوص بالا (عمدتا در محدوده زیر 100 نانومتر) از خوراک به اندازه میکرومتر (به عنوان مثال، 70-80 میکرومتر) را با استفاده از سونوفرگمنتاسیون بررسی کردند. آنها تغییر قابل توجهی را در رنگ و شکل ذرات سرامیکی آلومینا در نتیجه تکه تکه شدن سونو مشاهده کردند. ذرات در محدوده میکرون، زیر میکرون و نانو را می توان به راحتی با فراصوت قدرت بالا به دست آورد. با افزایش زمان ماند در میدان آکوستیکی، کرویت ذرات افزایش یافت.
پراکندگی در سورفکتانت
با توجه به شکستگی موثر ذرات اولتراسونیک ، استفاده از سورفکتانت ها برای جلوگیری از deagglomeration ذرات زیر میکرون و نانو به دست آمده ضروری است. هرچه اندازه ذرات کوچکتر باشد، نسبت apect مساحت سطح بیشتر است که باید با سورفکتانت پوشانده شود تا آنها را در حالت تعلیق نگه دارد و از انعقاد ذرات (تجمع) جلوگیری کند. مزیت امواج فراصوت در اثر پراکندگی نهفته است: به طور همزمان به سنگ زنی و تکه تکه شدن، سونوگرافی پراکنده قطعات ذرات خرد شده با سورفکتانت به طوری که تجمع ذرات نانو است (تقریبا) به طور کامل اجتناب می شود.

هموژنایزرهای اولتراسونیک برای پراکندگی نانوذرات در آب یا حلال ها کارآمد و قابل اعتماد هستند. تصویر نشان می دهد آزمایشگاه ultrasonicator UP100H.
تولید صنعتی
برای خدمت به بازار با مواد نانو با کیفیت بالا که عملکردهای فوق العاده ای را بیان می کند، تجهیزات پردازش قابل اعتماد مورد نیاز است. Ultrasonicators با حداکثر 16kW در هر واحد که خوشه ای هستند اجازه می دهد تا پردازش جریان های حجم تقریبا نامحدود. با توجه به مقیاس پذیری کاملا خطی فرآیندهای اولتراسونیک، برنامه های کاربردی مافوق صوت را می توان بدون خطر در آزمایشگاه آزمایش شده، بهینه سازی در مقیاس نیمکت بالا و سپس بدون مشکل در خط تولید پیاده سازی. از آنجایی که تجهیزات اولتراسونیک به فضای بزرگی نیاز ندارد، حتی می توان آن را به جریان های فرآیند موجود مقاوم سازی کرد. عملیات آسان است و می توان آن را از طریق کنترل از راه دور نظارت و اجرا کرد، در حالی که تعمیر و نگهداری یک سیستم اولتراسونیک تقریبا قابل چشم پوشی است.

توزیع اندازه ذرات و تصاویر SEM آلیاژ مبتنی بر Bi2Te3 قبل و بعد از فرز اولتراسونیک. a – توزیع اندازه ذرات؛ b – تصویر SEM قبل از فرز اولتراسونیک؛ c – تصویر SEM پس از فرز اولتراسونیک به مدت 4 ساعت؛ d – تصویر SEM پس از فرز اولتراسونیک به مدت 8 ساعت.
منبع: مارکز-گارسیا و همکاران 2015.
تماس با ما! / از ما بپرسید!
ادبیات / منابع
- 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.

اولتراسونیک با کارایی بالا UIP2000hdT (2 کیلو وات، 20 کیلوهرتز) برای اختلاط کارآمد ، همگن سازی ، پراکندگی نانو و sonofragmentation ذرات.

Hielscher مافوق صوت تولید کننده هموژنایزرهای مافوق صوت با کارایی بالا از ازمایشگاه ها تا اندازه صنعتی.