Sonofragmentation – Power Ultrasound가 입자 파손에 미치는 영향

Sonofragmentation은 고출력 초음파에 의해 입자가 나노 크기의 조각으로 파괴되는 것을 말합니다. 일반적인 초음파 응집 제거 및 밀링과 달리 – 입자가 주로 분쇄되고 입자 간 충돌에 의해 분리되는 곳 – , sono-fragementation은 입자와 충격파 사이의 직접적인 상호 작용으로 구별됩니다. 고출력/저주파 초음파는 캐비테이션을 생성하여 액체에서 강한 전단력을 생성합니다. 캐비테이션 버블 붕괴 및 특정 간 충돌의 극한 조건은 입자를 매우 미세한 크기의 물질로 분쇄합니다.

나노 입자의 초음파 생산 및 준비

나노 물질 생산을위한 전력 초음파의 효과는 잘 알려져 있습니다 : 분산, 응집 제거 및 밀링 & 초음파 처리에 의한 단편화뿐만 아니라 분쇄는 종종 치료하는 유일한 효과적인 방법입니다 나노 입자. 이것은 나노 크기와 같이 특별한 기능을 가진 매우 미세한 나노 물질의 경우 독특한 입자 특성이 표현되는 경우 특히 그렇습니다. 특정 기능을 가진 나노 물질을 만들려면 균일하고 신뢰할 수 있는 초음파 처리 공정이 보장되어야 합니다. Hielscher는 실험실 규모에서 전체 상업 생산 규모에 이르기까지 초음파 장비를 공급합니다.

캐비테이션에 의한 Sono-Fragmentation

액체에 강력한 초음파력을 가하면 극한의 상황이 발생합니다. 초음파가 액체 매체를 전파 할 때 초음파는 압축 및 희박 사이클 (고압 및 저압 사이클)을 번갈아 가며 발생시킵니다. 저압 사이클 동안 액체에서 작은 진공 기포가 발생합니다. 이러한 공동 현상 기포는 더 많은 에너지를 흡수할 수 없는 크기에 도달할 때까지 여러 번의 저압 주기에 걸쳐 자랍니다. 이 최대 흡수 에너지와 기포 크기 상태에서 캐비테이션 기포는 격렬하게 붕괴되고 국부적으로 극한 조건을 생성합니다. 의 내파로 인해 공동 현상 기포, 약 5000K의 매우 높은 온도 및 약 2000atm의 압력에 국부적으로 도달합니다. 내파로 인해 최대 280m/s(≈1000km/h) 속도의 액체 제트가 발생합니다. Sono-fragmentation은 이러한 강렬한 힘을 사용하여 입자를 서브 미크론 및 나노 범위의 더 작은 치수로 단편화하는 것을 설명합니다. 초음파 처리가 진행되면 입자 모양이 각진 모양에서 구형으로 바뀌어 입자가 더 가치가 있습니다. sonofragmentation의 결과는 전력 입력, 초음파 볼륨 및 응집체의 크기의 함수로 설명되는 단편화 속도로 표현됩니다.
Kusters et al. (1994)은 에너지 소비와 관련하여 응집체의 초음파 보조 단편화를 조사했습니다. 연구진의 결과는 "초음파 분산 기술이 기존의 연삭 기술만큼 효율적일 수 있음을 나타냅니다. 초음파 분산의 산업 관행 (예 : 더 큰 프로브, 현탁액의 연속 처리량)은 이러한 결과를 다소 변경할 수 있지만 전반적으로 특정 에너지 소비가이 커미트론 기술을 선택하는 이유가 아니라 매우 미세한 (서브 마이크론) 입자를 생성하는 능력인 것으로 예상됩니다. [Kusters 외. 1994] 특히 다음과 같은 침식 분말의 경우 실리 카 또는 지르코니아, 단위 분말 질량 당 필요한 비에너지는 기존의 분쇄 방법보다 초음파 분쇄에 의해 더 낮은 것으로 밝혀졌습니다. 초음파는 밀링 및 연삭뿐만 아니라 고체를 연마함으로써 입자에 영향을 미칩니다. 이에 의해, 입자의 높은 구형도를 얻을 수 있습니다.

나노 물질의 결정화를 위한 Sono-fragmentation

"초음파로 조사된 분자 결정의 슬러리에서 입자 간 충돌이 발생한다는 것은 의심의 여지가 없지만, 단편화의 지배적인 원인은 아닙니다. 분자 결정과 달리 금속 입자는 충격파에 의해 직접 손상되지 않으며 더 강한(그러나 훨씬 드물게) 입자 간 충돌에 의해서만 영향을 받을 수 있습니다. 금속 분말과 아스피린 슬러리의 초음파 처리에 대한 지배적 인 메커니즘의 변화는 가단성 금속 입자와 부서지기 쉬운 분자 결정의 특성의 차이를 강조합니다. [Zeiger / Suslick 2011, 14532]

아스피린 입자의 Sonofragmentation [Zeiger/ Suslick 2011]

Gopi et al. (2008)은 초음파 단편화를 사용하여 마이크로 미터 크기의 사료 (예 : 70-80 μm)에서 고순도 서브 마이크로 미터 알루미나 세라믹 입자 (주로 sub-100 nm 범위)의 제조를 조사했습니다. 그들은 초음파 단편화(sono-fragmentation)의 결과로 알루미나 세라믹 입자의 색상과 모양에 상당한 변화가 있음을 관찰했습니다. 미크론, 서브 미크론 및 나노 크기의 입자는 고출력 초음파 처리로 쉽게 얻을 수 있습니다. 입자의 구형도는 음향장에서의 머무름 시간이 증가함에 따라 증가했습니다.

계면활성제에서의 분산

효과적인 초음파 입자 파손으로 인해 계면 활성제의 사용은 얻어진 서브 미크론 및 나노 크기의 입자의 응집을 방지하는 데 필수적입니다. 입자 크기가 작을수록 표면적의 apect 비율이 높아지며, 이를 계면활성제로 덮어 현탁 상태를 유지하고 입자의 응집(응집)을 방지해야 합니다. 초음파의 장점은 분산 효과에 있습니다 : 분쇄 및 단편화와 동시에 초음파는 계면 활성제로 분쇄 된 입자 조각을 분산시켜 나노 입자의 응집이 (거의) 완전히 방지되도록합니다.

공업 생산

뛰어난 기능성을 표현하는 고품질 나노 소재로 시장에 서비스를 제공하려면 신뢰할 수 있는 가공 장비가 필요합니다. 클러스터화 가능한 장치 당 최대 16kW의 초음파를 사용하면 거의 무제한의 볼륨 스트림을 처리 할 수 있습니다. 초음파 공정의 완전한 선형 확장 가능성으로 인해 초음파 응용 분야는 실험실에서 위험 없이 테스트하고 벤치탑 스케일로 최적화한 다음 생산 라인에 문제 없이 구현할 수 있습니다. 초음파 장비는 큰 공간을 필요로하지 않기 때문에 기존 공정 스트림에 개조 할 수도 있습니다. 작동이 쉽고 원격 제어를 통해 모니터링 및 실행할 수 있지만 초음파 시스템의 유지 관리는 거의 소홀히 할 수 있습니다.

초음파 밀링 전후의 Bi2Te3 기반 합금의 입자 크기 분포 및 SEM 이미지. a – 입자 크기 분포; b – 초음파 밀링 전의 SEM 이미지; c – 4시간 동안 초음파 밀링 후 SEM 이미지; d – 8시간 동안 초음파 밀링 후 SEM 이미지.
출처: Marquez-Garcia et al. 2015.

문헌 / 참고문헌