Sonofragmentation - A teljesítmény ultrahang hatása a részecskék törésére

A sonofragmentation leírja a részecskék nanoméretű töredékekké történő törését nagy teljesítményű ultrahanggal. Ellentétben a közös ultrahangos deagglomerációval és marással – ahol a részecskéket főként őrölik és részecskék közötti ütközéssel választják szét – , a sono-fragementációt a részecske és a lökéshullám közötti közvetlen kölcsönhatás jellemzi. A nagy teljesítményű / alacsony frekvenciájú ultrahang kavitációt és ezáltal intenzív nyíróerőket hoz létre folyadékokban. A kavitációs buborék összeomlásának és az interpartikuláris ütközésnek a szélsőséges körülményei a részecskéket nagyon finom méretű anyaggá őrlik.

Nanorészecskék ultrahangos előállítása és előkészítése

A teljesítmény ultrahang hatása a nanoanyagok előállítására jól ismert: diszpergálás, deagglomeráció és őrlés & Az őrlés, valamint az ultrahangos töredezettség gyakran az egyetlen hatékony módszer a kezelésre nano részecskék. Ez különösen igaz a nagyon finom, különleges funkciókkal rendelkező nanoanyagok esetében, mivel a nanoméret esetében egyedi részecskejellemzők fejeződnek ki. Speciális funkciókkal rendelkező nanoanyag létrehozásához egyenletes és megbízható szonikációs folyamatot kell biztosítani. A Hielscher ultrahangos berendezéseket szállít laboratóriumi mérettől a teljes kereskedelmi termelési méretig.

Sono-fragmentáció kavitációval

Az erőteljes ultrahangos erők folyadékokba történő bevitele szélsőséges körülményeket teremt. Amikor az ultrahang folyékony közeget terjeszt, az ultrahangos hullámok váltakozó kompressziós és ritka ciklusokat eredményeznek (nagynyomású és alacsony nyomású ciklusok). Az alacsony nyomású ciklusok során kis vákuumbuborékok keletkeznek a folyadékban. Ezek Kavitáció A buborékok több alacsony nyomású cikluson keresztül nőnek, amíg el nem érik azt a méretet, amikor nem tudnak több energiát elnyelni. Ebben a maximális elnyelt energia- és buborékméret-állapotban a kavitációs buborék hevesen összeomlik, és lokálisan szélsőséges körülményeket teremt. Az összeomlás miatt Kavitáció A buborékok, a nagyon magas, kb. 5000 K hőmérséklet és a kb. 2000 atm nyomás lokálisan érhető el. Az implózió akár 280 m/s (≈1000 km/h) sebességű folyékony fúvókákat eredményez. A sono-fragmentáció ezeknek az intenzív erőknek a felhasználását írja le a részecskék kisebb méretűre történő fragmentálására a szubmikron és nano tartományban. A progresszív szonikációval a részecske alakja szögletesről gömb alakúvá válik, ami értékesebbé teszi a részecskéket. A sonofragmentáció eredményeit töredezettségi sebességként fejezzük ki, amelyet a teljesítményfelvétel, az ultrahangos térfogat és az agglomerátumok méretének függvényében írnak le.
Kusters et al. (1994) az agglomerátumok ultrahanggal segített töredezettségét vizsgálta energiafogyasztásához viszonyítva. A kutatók eredményei "azt mutatják, hogy az ultrahangos diszperziós technika ugyanolyan hatékony lehet, mint a hagyományos őrlési technikák. Az ultrahangos diszperzió ipari gyakorlata (pl. Nagyobb szondák, folyamatos szuszpenziós teljesítmény) némileg megváltoztathatja ezeket az eredményeket, de összességében várható, hogy nem a fajlagos energiafogyasztás az oka ennek a komminutron technikának a kiválasztásának, hanem inkább annak képessége, hogy rendkívül finom (szubmikron) részecskéket állítson elő. [Kusters et al. 1994] Különösen olyan porok erodálásához, mint Kovasav vagy cirkónium, az egységnyi portömegre jutó fajlagos energia alacsonyabb volt az ultrahangos őrlésnél, mint a hagyományos őrlési módszereknél. Az ultrahangos kezelés nemcsak a marással és őrléssel, hanem a szilárd anyagok polírozásával is befolyásolja a részecskéket. Ezáltal a részecskék nagy gömbössége érhető el.

Sono-fragmentáció a nanoanyagok kristályosításához

"Bár kevés kétség fér hozzá, hogy a részecskék közötti ütközések előfordulnak ultrahanggal besugárzott molekuláris kristályok iszapjaiban, nem ezek a fragmentáció domináns forrásai. A molekuláris kristályokkal ellentétben a fémrészecskéket közvetlenül nem károsítják a lökéshullámok, és csak az intenzívebb (de sokkal ritkább) részecskeütközések befolyásolhatják őket. A fémporok ultrahangos mechanizmusainak eltolódása az aszpirin szuszpenziókkal szemben kiemeli a képlékeny fémrészecskék és a törékeny molekuláris kristályok tulajdonságainak különbségeit. [Zeiger/ Suslick 2011, 14532]

Az aszpirin részecskék szonofragmentációja [Zeiger / Suslick 2011]

Gopi et al. (2008) nagy tisztaságú szubmikrométeres alumínium-oxid kerámia részecskék előállítását vizsgálta (túlnyomórészt 100 nm alatti tartományban) mikrométer méretű takarmányból (pl. 70-80 μm) szonofragmentáció segítségével. Megfigyelték az alumínium-oxid kerámia részecskék színének és alakjának jelentős változását a szono-fragmentáció következtében. A részecskék mikron, szubmikron és nano méretű tartományban könnyen megszerezhetők nagy teljesítményű szonikálással. A részecskék gömbössége az akusztikus mezőben a retenciós idő növekedésével nőtt.

Diszperzió felületaktív anyagban

A hatékony ultrahangos részecsketörés miatt a felületaktív anyagok használata elengedhetetlen a kapott szubmikron és nanoméretű részecskék deagglomerációjának megakadályozásához. Minél kisebb a részecskeméret, annál nagyobb a felület apektaránya, amelyet felületaktív anyaggal kell lefedni, hogy szuszpenzióban tartsák és elkerüljék a részecskék koagualizációját (agglomeráció). Az ultrahangos kezelés előnye a diszpergáló hatás: Az őrléssel és töredezettséggel egyidejűleg az ultrahangok szétszórták az őrölt részecsketöredékeket a felületaktív anyaggal, így a nanorészecskék agglomerációja (szinte) teljesen elkerülhető.

ipari termelés

Ahhoz, hogy a piacot kiváló minőségű, rendkívüli funkciókat kifejező nanoanyaggal lehessen kiszolgálni, megbízható feldolgozó berendezésekre van szükség. Ultrahangos készülékek akár 16kW egységenként, amelyek klaszterezhetők, lehetővé teszik a gyakorlatilag korlátlan térfogatáramok feldolgozását. Az ultrahangos folyamatok teljesen lineáris méretezhetősége miatt az ultrahangos alkalmazások kockázatmentesen tesztelhetők laboratóriumban, optimalizálhatók asztali skálán, majd problémamentesen megvalósíthatók a gyártósorba. Mivel az ultrahangos berendezés nem igényel nagy helyet, akár utólag is felszerelhető a meglévő folyamatáramokba. A kezelés egyszerű, távirányítóval felügyelhető és működtethető, míg az ultrahangos rendszer karbantartása szinte elhanyagolható.

Bi2Te3-alapú ötvözet szemcseméret-eloszlása és SEM képei ultrahangos marás előtt és után. egy – Részecskeméret-eloszlás; b – SEM kép ultrahangos marás előtt; c – SEM kép ultrahangos marás után 4 órán keresztül; d – SEM kép ultrahangos marás után 8 órán keresztül.
forrás: Marquez-Garcia et al. 2015.

Irodalom / Hivatkozások