Sonofragmentaatio - tehon ultraäänen vaikutus hiukkasten rikkoutumiseen

Sonofragmentaatio kuvaa hiukkasten hajoamista nanokokoisiksi fragmenteiksi suuritehoisella ultraäänellä. Toisin kuin tavallinen ultraääni deagglomeration ja jyrsintä – jossa hiukkaset pääasiassa jauhetaan ja erotetaan hiukkasten välisellä törmäyksellä – , sono-fragementaatio erottuu hiukkasten ja iskun aallon suorasta vuorovaikutuksesta. Suuritehoinen / matalataajuinen ultraääni luo kavitaatiota ja siten voimakkaita leikkausvoimia nesteissä. Kavitaatiokuplan romahtamisen ja lajien välisen törmäyksen äärimmäiset olosuhteet jauhavat hiukkaset erittäin hienoksi materiaaliksi.

Nanohiukkasten ultraäänituotanto ja valmistus

Tehon ultraäänen vaikutukset nanomateriaalien tuotantoon ovat hyvin tunnettuja: dispergointi, deagglomeraatio ja jyrsintä & Hionta sekä pirstoutuminen sonikaatiolla ovat usein ainoa tehokas tapa hoitaa nano-hiukkaset. Tämä pätee erityisesti erittäin hienoihin nanomateriaaleihin, joilla on erityisiä toimintoja, kuten nanokoossa, hiukkasten ainutlaatuiset ominaisuudet ilmaistaan. Nanomateriaalin luomiseksi, jolla on erityisiä toimintoja, on varmistettava tasainen ja luotettava sonikaatioprosessi. Hielscher toimittaa ultraäänilaitteita laboratoriomittakaavasta täyteen kaupalliseen tuotantokokoon.

Sono-pirstoutuminen kavitaatiolla

Voimakkaiden ultraäänivoimien syöttö nesteisiin luo äärimmäisiä olosuhteita. Kun ultraääni levittää nestemäistä väliainetta, ultraääniaallot johtavat vuorotteleviin puristus- ja harvinaisuussykleihin (korkeapaine- ja matalapainesyklit). Matalapainesyklien aikana nesteeseen syntyy pieniä tyhjiökuplia. Nämä kavitaatio Kuplat kasvavat useiden matalapainesyklien aikana, kunnes ne saavuttavat koon, jolloin ne eivät pysty absorboimaan enemmän energiaa. Tässä maksimaalisen absorboituneen energian ja kuplan koon tilassa kavitaatiokupla romahtaa väkivaltaisesti ja luo paikallisesti äärimmäisiä olosuhteita. Johtuen luhistumisesta kavitaatio Kuplat, erittäin korkeat lämpötilat noin 5000K ja paineet noin 2000atm saavutetaan paikallisesti. Luhistuminen johtaa nestesuihkuihin, joiden nopeus on jopa 280 m / s (≈ 1000 km / h). Sono-fragmentaatio kuvaa näiden voimakkaiden voimien käyttöä hiukkasten pirstomiseksi pienempiin ulottuvuuksiin submikroni- ja nanoalueella. Etenevällä sonikaatiolla hiukkasten muoto muuttuu kulmasta pallomaiseksi, mikä tekee hiukkasista arvokkaampia. Sonofragmentaation tulokset ilmaistaan pirstoutumisnopeutena, jota kuvataan tehonsyötön, sonikoidun tilavuuden ja agglomeraattien koon funktiona.
(1994) tutki agglomeraattien ultraäänellä avustettua pirstoutumista suhteessa sen energiankulutukseen. Tutkijoiden tulokset "osoittavat, että ultraäänidispersiotekniikka voi olla yhtä tehokas kuin perinteiset hiontatekniikat. Ultraäänidispersion teollinen käytäntö (esim. suuremmat anturit, jatkuva suspension läpäisykyky) voi muuttaa näitä tuloksia jonkin verran, mutta kaiken kaikkiaan odotetaan, että ominaisenergiankulutus ei ole syy tämän komminutronitekniikan valintaan, vaan pikemminkin sen kyky tuottaa erittäin hienoja (submikroni) hiukkasia. [Kusters ym. 1994] Erityisesti eroosiojauheille, kuten: Piidioksidi tai zirkonia, jauhemassayksikköä kohti tarvittavan ominaisenergian havaittiin olevan pienempi ultraäänihionnalla kuin tavanomaisilla jauhatusmenetelmillä. Ultrasonication vaikuttaa hiukkasiin paitsi jyrsimällä ja jauhamalla, myös kiillottamalla kiintoaineita. Siten voidaan saavuttaa hiukkasten suuri sfäärisyys.

Sono-fragmentaatio nanomateriaalien kiteyttämiseksi

"Vaikka ei ole epäilystäkään siitä, että hiukkasten välisiä törmäyksiä tapahtuu ultraäänellä säteilytettyjen molekyylikiteiden lietteissä, ne eivät ole hallitseva pirstoutumisen lähde. Toisin kuin molekyylikiteet, iskuaallot eivät vahingoita metallihiukkasia suoraan, ja niihin voivat vaikuttaa vain voimakkaammat (mutta paljon harvinaisemmat) hiukkasten väliset törmäykset. Metallijauheiden sonikaatiomekanismien hallitsevien mekanismien muutos aspiriinilietteisiin verrattuna korostaa muokattavien metallihiukkasten ja murenevien molekyylikiteiden ominaisuuksien eroja. [Zeiger/ Suslick 2011, 14532]

Aspiriinihiukkasten sonofragmentaatio [Zeiger/ Suslick 2011]

(2008) tutkivat erittäin puhtaiden submikrometrin alumiinioksidikeraamisten hiukkasten valmistusta (pääasiassa alle 100 nm: n alueella) mikrometrin kokoisesta syötteestä (esim. 70-80 μm) sonofragmentaation avulla. He havaitsivat merkittävän muutoksen alumiinioksidikeraamisten hiukkasten värissä ja muodossa sono-pirstoutumisen seurauksena. Mikroni-, submikroni- ja nanokokoiset hiukkaset voidaan helposti saada suuritehoisella sonikaatiolla. Hiukkasten pallomaisuus lisääntyi akustisen kentän retentioajan pidentyessä.

Dispersio pinta-aktiivisessa aineessa

Tehokkaan ultraäänihiukkasten rikkoutumisen vuoksi pinta-aktiivisten aineiden käyttö on välttämätöntä saatujen submikroni- ja nanokokoisten hiukkasten deagglomeroitumisen estämiseksi. Mitä pienempi hiukkaskoko, sitä suurempi on pinta-alan apect-suhde, joka on peitettävä pinta-aktiivisella aineella, jotta ne pysyvät suspensiossa ja vältetään hiukkasten kovettuminen (taajama). Ultrasonicationin etuna on dispergointivaikutus: Samanaikaisesti jauhamisen ja pirstoutumisen kanssa ultraäänet dispergoivat jauhetut hiukkasfragmentit pinta-aktiivisella aineella siten, että nanohiukkasten kasautuminen vältetään (melkein) kokonaan.

teollisuustuotanto

Markkinoiden palvelemiseksi korkealaatuisella nanomateriaalilla, joka ilmaisee poikkeuksellisia toimintoja, tarvitaan luotettavia käsittelylaitteita. Ultraäänilaitteet, joiden teho on enintään 16 kW yksikköä kohti ja jotka ovat klusteroitavia, mahdollistavat käytännössä rajoittamattomien volyymivirtojen käsittelyn. Ultraääniprosessien täysin lineaarisen skaalautuvuuden vuoksi ultraäänisovelluksia voidaan testata riskittömästi laboratoriossa, optimoida penkki-top-mittakaavassa ja toteuttaa sitten ongelmitta tuotantolinjalle. Koska ultraäänilaite ei vaadi suurta tilaa, se voidaan jopa jälkiasentaa olemassa oleviin prosessivirtoihin. Toiminta on helppoa ja sitä voidaan valvoa ja suorittaa kaukosäätimellä, kun taas ultraäänijärjestelmän huolto on lähes laiminlyötävissä.

Hiukkaskokojakauma ja SEM-kuvat Bi2Te3-pohjaisesta seoksesta ennen ultraäänijyrsintää ja sen jälkeen. a – Hiukkaskokojakauma; b – SEM-kuva ennen ultraäänijyrsintää; c – SEM-kuva ultraäänijyrsinnän jälkeen 4 tuntia; d – SEM-kuva ultraäänijyrsinnän jälkeen 8 tuntia.
Lähde: Marquez-Garcia et al. 2015.

Kirjallisuus / Viitteet