Sonofragmentáció - Az erő ultrahang hatása a részecske törésre

A fragmentumfragmentáció a részecskék nano méretű fragmensek töréséről írja le nagy teljesítményű ultrahanggal. Ezzel szemben a közös ultrahangos deagglomeráció és marás – ahol a részecskéket főként csiszolják és szétválasztják a részecskék közötti ütközéssel – , a sono-fragmentációt a részecske és a lökéshullám közvetlen kölcsönhatása különbözteti meg. A nagy teljesítmény / kis frekvenciájú ultrahang kavitációt és ezáltal erős folyadékszennyező erőket hoz létre. A kavitációs buborék összeomlásának és a részecske ütközésének szélsőséges körülményei a nagyon finom méretű anyagot őrlik.

Ultrahangos gyártás és Nano részecskék előkészítése

Az ultrahang hatása nano anyagok előállítására jól ismert: Diszpergálás, Deagglomeráció és Marás & A csiszolás, valamint a szonikálással történő töredezés gyakran az egyetlen hatékony kezelési módszer nano részecskék. Ez különösen akkor igaz, ha nagyon finom nano anyagokra van szükségünk, különösen a nano méretű egyedi részecske jellemzőkkel kifejezve. Annak érdekében, hogy különleges tulajdonságokkal rendelkező nano anyagokat hozzon létre, biztosítani kell az egyenletes és megbízható szonikációs folyamatot. A Hielscher ultrahangos berendezést szállít a laboratóriumi méretaránytól egészen a teljes gyártási méretig.

Sono-Fragmentáció kavitációval

Az erőteljes ultrahangos erők folyadékba való bejutása rendkívüli feltételeket teremt. Amikor az ultrahang egy folyékony közegre terjed, az ultrahang hullámok váltakozó kompressziós és ritkítási ciklusokat eredményeznek (nagynyomású és alacsony nyomású ciklusok). Az alacsony nyomású ciklusok során a folyadékban kis vakumibolygások keletkeznek. Ezek kavitációs a buborékok több alacsony nyomású ciklussal nőnek addig, amíg el nem érik a méretet, ha nem képesek több energiát elnyelni. A maximális elnyelt energia és a buborék méretének ebben a állapotában a kavitációs buborék erőteljesen összeomlik, és lokálisan szélsőséges körülményeket teremt. Az implosion miatt kavitációs buborékok, nagyon magas hőmérséklet kb. 5000K és kb. A 2000mt helyi szinten érik el. Az implozion 280 m / s (≈1000 km / h) sebességű folyadék-fúvókákat eredményez. A Sono-fragmentáció leírja ezeknek az intenzív erőknek a fragmentumrészecskék használatát kisebb dimenziókra az al-mikron és nano tartományban. A haladó szonikációval a részecske alakja szögtől szférikus irányba fordul, ami értékesebbé teszi a részecskéket. A fragmentum-eredményeket fragmentációs arányként fejezzük ki, amelyet a teljesítménybevitel, az ultrahangos térfogat és az agglomerátumok mérete alapján adunk meg.
Kusters és szerzőtársai (1994) vizsgálták, hogy az ultrahangos támogatott széttöredezettsége agglomerátumok tekintetében az energiafogyasztás. A kutatók eredményei azt jelzik, hogy az ultrahangos diszperziós technika lehet olyan hatékony, mint a hagyományos csiszolási technikák. Az ultrahangos diszperzió ipari gyakorlata (pl. nagyobb Szondák, szuszpenzió folyamatos áteresztőképessége) valamelyest megváltoztathatja ezeket az eredményeket, de túlságosan is azt várják, hogy a konkrét energiafogyasztás nem az oka a comminutron kiválasztásának technikát, hanem a képességét, hogy készítsen rendkívül finom (Submicron) részecskék. [Kusters et al. 1994] Különösen a gyengülő porok, mint például kovasav vagy cirkónium, az egységnyi poranyag tömegéhez szükséges fajlagos energia alacsonyabbnak bizonyult ultrahangos csiszolással, mint a hagyományos őrlési eljárásoké. Az ultrahangosodás nemcsak marással és csiszolással jár, hanem a szilárd anyagok polírozásával is. Ezáltal a szemcsék nagy gömbszerűsége érhető el.

Sono-fragmens a nanoanyagok kristályosítására

"Bár kevés kétség merül fel, hogy az ultrahanggal besugározott molekuláris kristályok zagyjaiban szemcsézett ütközések fordulnak elő, ezek nem a domináns töredezettség forrásai. A molekuláris kristályokkal ellentétben a fémrészecskéket nem közvetlenül a lökéshullámok károsítják, és csak az intenzívebb (de sokkal ritkább) részecske-ütközések befolyásolhatják. A fémporok ultrahangos mechanizmusainak az aszpirinszuszpenziókkal szembeni eltolódása kiemeli a fém alakú fémrészecskék és a fagytató molekuláris kristályok tulajdonságainak különbségeit. "[Zeiger / Suslick 2011, 14532]

Az aszpirin részecskék fragmensek szétfeszítése [Zeiger / Suslick 2011]

Nagy tisztaságú szubmikrométer ALUMINA-kerámiaszűrők (2008-100 nm-es tartományban) mikrométer méretű takarmányból (pl. 70-80 μm) vizsgálták meg a gyártás során. Megfigyelték, jelentős változást a szín és alakja ALUMINA kerámia részecskék következtében Sono-fragmentáció. Részecskék a mikron, Submicron és nano méretű tartományban könnyen nyert nagy teljesítményű szonikáció. A részecskék gömbisége növekedett a retenciós idő növekedésével az akusztikus mezőben.

Diszperziós Surfactaní

Mivel a hatékony ultrahang részecske törés, a felületaktív anyagok alkalmazásával elengedhetetlen, hogy megakadályozzák deagglomeration a szubmikron és nano-méretű részecskék kapunk. Minél kisebb a részecskeméret, annál nagyobb a apect aránya felület, amelyet meg kell borított felületaktív ezeket a szuszpenzióban tartsuk, és hogy elkerüljék a részecskék coagualation (agglomeráció). Az előnye, hogy ultrasonication meghatározza a diszpergáló hatás: Egyidejűleg a csiszolás és a fragmentáció, ultrahang diszpergálva a darált részecske-fragmentumokat a felületaktív úgy, hogy agglomerációs oft ő nano részecskék (majdnem) teljesen elkerülhető.

Ipari termelés

Annak érdekében, hogy a piacot kiváló minőségű nano anyagokkal szolgálja ki, amely rendkívüli funkcionalitást fejez ki, megbízható feldolgozó berendezésekre van szükség. Az egységenként legfeljebb 16 kW-os ultrahangos készülékek, amelyek klaszterezhetőek, gyakorlatilag korlátlan mennyiségű áramlások feldolgozását teszik lehetővé. Az ultrahangos eljárások teljesen lineáris skálázhatósága miatt az ultrahangos alkalmazások laboratóriumi körülmények között kockázatmentesek lehetnek, a bench-top skála optimalizálva, majd gond nélkül megvalósíthatók a gyártósoron. Mivel az ultrahangos mérleg nem igényel nagy teret, az már meglévő folyamatáramokba is beépíthető. A művelet egyszerű és távvezérelhető, és ultrahangos rendszer karbantartása szinte elhanyagolható.

Az ultrahangos marás előtt és után Bi2Te3 alapú ötvözetből készült részecske-méretű disztribúció és SEM-kép. A – Részecske-méret eloszlás; B – SEM kép ultrahangos marás előtt; C – SEM kép ultrahangos marógép után 4 óra; D – SEM képe ultrahangos marás után 8 óra.
Forrás: Marquez-Garcia és szerzőtársai 2015.

Irodalom / Referenciák