Lämpösähköisten nanojauheiden ultraäänijauhatus

• Tutkimukset ovat osoittaneet, että ultraäänijauhatusta voidaan käyttää menestyksekkäästi lämpösähköisten nanohiukkasten valmistukseen ja että sillä on potentiaalia hiukkasten pintojen muokkaamiseen.
• Ultraäänellä jauhettujen hiukkasten (esim. Bi₂Te₃-pohjaisen seoksen) koko pieneni huomattavasti, ja syntyneiden nanohiukkasten koko oli alle 10 µm.
• Lisäksi ultraäänikäsittely muuttaa merkittävästi hiukkasten pintamorfologiaa ja mahdollistaa siten mikro- ja nanohiukkasten pinnan funktionalisoinnin.

Lämpösähköiset nanohiukkaset

Lämpösähköiset materiaalit muuttavat lämpöenergiaa sähköenergiaksi Seebeckin ja Peltierin ilmiöiden perusteella. Näin vaikeasti hyödynnettävä tai lähes hukkaan menevä lämpöenergia voidaan ottaa tehokkaasti hyötykäyttöön. Koska lämpösähköisiä materiaaleja voidaan käyttää uusissa sovelluksissa, kuten biotermisissä akuissa, kiinteän olomuodon lämpösähköisessä jäähdytyksessä, optoelektronisissa laitteissa sekä avaruus- ja ajoneuvosovellusten sähköntuotannossa, tutkimuksessa ja teollisuudessa etsitään helppoja ja nopeita menetelmiä ympäristöystävällisten, taloudellisten ja korkeissa lämpötiloissa stabiilien lämpösähköisten nanohiukkasten valmistukseen. Ultraäänijauhatus sekä alhaalta ylöspäin etenevä synteesi (ultraäänikiteytys) ovat kaksi lupaavaa menetelmää lämpösähköisten nanomateriaalien nopeaan massatuotantoon.

Ultraäänijauhatuslaitteisto

Vismuttitelluridijauheen (Bi₂Te₃), magnesiumsilisidijauheen (Mg₂Si) ja piijauheen (Si) hiukkaskoon pienentämiseen käytettiin suuritehoista ultraäänijärjestelmää UIP1000hdT (1 kW, 20 kHz) avoimessa dekantterilasissa. Kaikissa kokeissa amplitudiksi asetettiin 140 µm. Näyteastia jäähdytetään vesihauteessa, ja lämpötilaa säädetään termoparilla. Koska ultraäänikäsittely tehtiin avoimessa astiassa, jäähdytyksellä estettiin jauhatusliuosten (esim. etanolin, butanolin tai veden) haihtuminen.

(a) Koelaitteiston kaaviokuva. (b) Ultraäänijauhatuslaitteisto. Lähde: Marquez-Garcia et al. 2015.

Jo pelkkä 4 h:n ultraäänijauhatus tuotti Bi₂Te₃-seoksesta huomattavan määrän nanohiukkasia, joiden koko oli 150–400 nm. Hiukkaskoon pienentämisen nanokokoluokkaan lisäksi ultraäänikäsittely muutti myös pintamorfologiaa. Alla olevan kuvan SEM-kuvat b, c ja d osoittavat, että hiukkasten ennen ultraäänijauhatusta terävät reunat ovat muuttuneet sileiksi ja pyöreiksi ultraäänijauhatuksen jälkeen.

Bi2Te3-pohjaisen seoksen hiukkaskokojakauma ja SEM-kuvat ennen ultraäänijauhatusta ja sen jälkeen. a – Hiukkaskokojakauma; b – SEM-kuva ennen ultraäänijauhatusta; c – SEM-kuva 4 h:n ultraäänijauhatuksen jälkeen; d – SEM-kuva 8 h:n ultraäänijauhatuksen jälkeen.
Lähde: Marquez-Garcia et al. 2015.

Sen selvittämiseksi, saavutetaanko hiukkaskoon pienentyminen ja pinnan muokkautuminen yksinomaan ultraäänijauhatuksella, tehtiin vastaavia kokeita suurienergisellä kuulamyllyllä. Tulokset esitetään kuvassa 3. On ilmeistä, että 48 h:n kuulajauhatus (12 kertaa pidempi kuin ultraäänijauhatus) tuotti 200–800 nm:n hiukkasia. SEM-kuvista nähdään, että Bi₂Te₃-seoksen hiukkasten terävät reunat pysyvät olennaisesti muuttumattomina jauhatuksen jälkeen. Nämä tulokset osoittavat, että sileät reunat ovat ultraäänijauhatukselle ominainen erityispiirre. Myös ultraäänijauhatuksen tuoma ajansäästö (4 h verrattuna 48 h:n kuulajauhatukseen) on huomattava.

Mg2Si:n hiukkaskokojakauma ja SEM-kuvat ennen ultraäänijauhatusta ja sen jälkeen. (a) Hiukkaskokojakauma; (b) SEM-kuva ennen ultraäänijauhatusta; (c) SEM-kuva 2 h:n ultraäänijauhatuksen jälkeen seoksessa, jossa on 50 % PVP:tä ja 50 % EtOH:ta.
Lähde: Marquez-Garcia et al. 2015.

Marquez-Garcia et al. (2015) päättelevät, että ultraäänijauhatus voi hajottaa Bi₂Te₃ – ja Mg₂Si-jauheet pienemmiksi hiukkasiksi, joiden koko on 40–400 nm, mikä viittaa menetelmän potentiaaliin nanohiukkasten teollisessa tuotannossa. Suurienergiseen kuulajauhatukseen verrattuna ultraäänijauhatuksella on kaksi ainutlaatuista ominaisuutta:

1. 1. hiukkaskokojakaumassa esiintyy aukko, joka erottaa alkuperäiset hiukkaset ultraäänijauhatuksella tuotetuista hiukkasista; ja
2. 2. ultraäänijauhatuksen jälkeen pintamorfologiassa on havaittavissa huomattavia muutoksia, mikä osoittaa mahdollisuuden muokata hiukkasten pintoja.

Johtopäätös

Kovempien hiukkasten ultraäänijauhatus edellyttää paineenalaista ultraäänikäsittelyä voimakkaan kavitaation synnyttämiseksi. Ultraäänikäsittely korotetussa paineessa (niin kutsuttu manosonikaatio) lisää hiukkasiin kohdistuvia leikkausvoimia ja rasitusta huomattavasti.
Jatkuvatoiminen linjaan kytketty ultraäänikäsittelylaitteisto mahdollistaa suuremman hiukkaskuormituksen (tahnamaisen lietteen), mikä parantaa jauhatustuloksia, koska ultraäänijauhatus perustuu hiukkasten välisiin törmäyksiin.
Ultraäänikäsittely erillisessä kierrätyslaitteistossa mahdollistaa kaikkien hiukkasten tasaisen käsittelyn varmistamisen ja siten erittäin kapean hiukkaskokojakauman.

Ultraäänijauhatuksen merkittävä etu on, että teknologia voidaan helposti skaalata suurten määrien tuotantoon – kaupallisesti saatavilla olevalla tehokkaalla teollisella ultraäänijauhatuksella voidaan käsitellä määriä, jotka ovat enintään 10 m³/h.

Ultraäänijauhatuksen edut

• Nopea, aikaa säästävä
• Energiaa säästävä
• Toistettavat tulokset
• Ei jauhatuskappaleita (ei kuulia tai helmiä)
• Pienet investointikustannukset

Tehokkaat ultraäänilaitteet

Ultraäänijauhatus vaatii suuritehoisen ultraäänilaitteiston. Suuret amplitudit ja paine ovat ratkaisevan tärkeitä voimakkaiden kavitaation aiheuttamien leikkausvoimien synnyttämiseksi. Hielscher Ultrasonicsin teolliset ultraääniprosessorit voivat tuottaa erittäin suuria amplitudeja. Jopa 200 µm:n amplitudeja voidaan helposti käyttää jatkuvasti ympärivuorokautisessa 24/7-käytössä. Vielä suurempia amplitudeja varten on saatavilla räätälöityjä ultraäänisonotrodeja. Yhdessä Hielscherin paineistettavien virtausreaktorien kanssa syntyy erittäin voimakas kavitaatio, jonka avulla molekyylien väliset sidokset voidaan murtaa ja saavuttaa tehokas jauhatusvaikutus.
Hielscherin ultraäänilaitteiston kestävyys mahdollistaa ympärivuorokautisen 24/7-käytön raskaassa käytössä ja vaativissa ympäristöissä. Digitaalinen ohjaus ja etäohjaus sekä automaattinen tietojen tallennus sisäänrakennetulle SD-kortille varmistavat tarkan käsittelyn ja toistettavan laadun sekä mahdollistavat prosessin standardoinnin.

Hielscherin tehokkaiden ultraäänilaitteiden edut

• erittäin suuret amplitudit
• korkeat paineet
• jatkuva linjaan kytketty prosessi
• kestävä laitteisto
• lineaarinen skaalaus
• turvallinen ja helppokäyttöinen
• helppo puhdistaa