Sonofragmentācija – Jaudas ultraskaņas ietekme uz daļiņu bojājumiem
Sonofragmentācija apraksta daļiņu sadalīšanos nano izmēra fragmentos ar lieljaudas ultraskaņu. Atšķirībā no kopējās ultraskaņas deagglomerācijas un frēzēšanas – kur daļiņas galvenokārt tiek sasmalcinātas un atdalītas, savstarpēji saduroties daļiņām – , sono-fragementācija atšķiras ar tiešu mijiedarbību starp daļiņu un trieciena vilni. Augstas jaudas / zemas frekvences ultraskaņa rada kavitāciju un tādējādi intensīvus bīdes spēkus šķidrumos. Kavitācijas burbuļu sabrukuma un starpsugu sadursmes ekstremālie apstākļi sasmalcina daļiņas līdz ļoti smalka izmēra materiālam.
Nano daļiņu ultraskaņas ražošana un sagatavošana
Jaudas ultraskaņas ietekme uz nano materiālu ražošanu ir labi zināma: izkliedēšana, deagglomerācija un frēzēšana & Slīpēšana, kā arī sadrumstalotība ar ultraskaņu bieži vien ir vienīgā efektīvā metode ārstēšanai nano daļiņas. Tas jo īpaši attiecas uz ļoti smalkiem nanomateriāliem ar īpašu funkcionalitāti, jo ar nano izmēru tiek izteiktas unikālas daļiņu īpašības. Lai izveidotu nanomateriālu ar īpašām funkcijām, ir jānodrošina vienmērīgs un uzticams ultraskaņas apstrādes process. Hielscher piegādā ultraskaņas iekārtas no laboratorijas mēroga līdz pilnam komerciālam ražošanas lielumam.
MultiSonoReactor MSR-4 ir rūpniecisks inline homogenizators, kas piemērots daļiņu un nanomateriālu sadrumstalošanai un malšanai.
Sono-fragmentācija ar kavitāciju
Spēcīgu ultraskaņas spēku ievadīšana šķidrumos rada ekstremālus apstākļus. Kad ultraskaņa izplata šķidru vidi, ultraskaņas viļņi izraisa mainīgus kompresijas un retināšanas ciklus (augsta spiediena un zema spiediena cikli). Zema spiediena ciklu laikā šķidrumā rodas mazi vakuuma burbuļi. Šie Kavitāciju Burbuļi aug vairākos zema spiediena ciklos, līdz tie sasniedz lielumu, kad tie nevar absorbēt vairāk enerģijas. Šajā maksimālās absorbētās enerģijas un burbuļa lieluma stāvoklī kavitācijas burbulis sabrūk vardarbīgi un rada lokāli ekstremālus apstākļus. Sakarā ar to, ka Kavitāciju burbuļi, ļoti augsta temperatūra aptuveni 5000K un spiediens aptuveni 2000atm tiek sasniegti lokāli. Implosijas rezultātā rodas šķidruma strūklas ar ātrumu līdz 280m/s (≈1000km/h). Sono-fragmentācija apraksta šo intensīvo spēku izmantošanu, lai sadalītu daļiņas mazākos izmēros sub-mikronu un nano diapazonā. Ar progresējošu ultraskaņu daļiņu forma pārvēršas no leņķa uz sfērisku, kas padara daļiņas vērtīgākas. Sonofragmentācijas rezultāti tiek izteikti kā sadrumstalotības ātrums, kas aprakstīts kā jaudas ievades, ultraskaņas tilpuma un aglomerātu lieluma funkcija.
(1994) pētīja aglomerātu ultrasoniski atbalstīto sadrumstalotību attiecībā pret tā enerģijas patēriņu. Pētnieku rezultāti "norāda, ka ultraskaņas dispersijas tehnika var būt tikpat efektīva kā parastās slīpēšanas metodes. Ultraskaņas dispersijas rūpnieciskā prakse (piemēram, lielākas zondes, nepārtraukta suspensijas caurlaidspēja) var nedaudz mainīt šos rezultātus, bet kopumā ir sagaidāms, ka īpatnējais enerģijas patēriņš nav iemesls šīs kominutrona tehnikas izvēlei, bet drīzāk tā spēja ražot ārkārtīgi smalkas (submikrona) daļiņas. [Kusters et al. 1994] Īpaši erodējošiem pulveriem, piemēram, Silīcija dioksīds vai cirkonijs, ar ultraskaņas slīpēšanu tika konstatēts, ka īpatnējā enerģija, kas nepieciešama uz pulvera masas vienību, ir zemāka nekā parastajām slīpēšanas metodēm. Ultrasonication ietekmē daļiņas ne tikai ar frēzēšanu un slīpēšanu, bet arī ar cietvielu pulēšanu. Tādējādi var panākt augstu daļiņu sfēriskumu.
Sono-fragmentācija nanomateriālu kristalizācijai
"Lai gan ir maz šaubu, ka starpdaļiņu sadursmes notiek molekulāro kristālu vircās, kas apstarotas ar ultraskaņu, tās nav dominējošais sadrumstalotības avots. Atšķirībā no molekulārajiem kristāliem, metāla daļiņas tieši nebojā triecienviļņi, un tās var ietekmēt tikai intensīvākas (bet daudz retākas) starpdaļiņu sadursmes. Dominējošo mehānismu maiņa metāla pulveru apstrādei ar ultraskaņu salīdzinājumā ar aspirīna vircām izceļ kaļamo metāla daļiņu un irdenu molekulāro kristālu īpašību atšķirības. [Zeigers/ Suslick 2011, 14532]
Aspirīna daļiņu sonofragmentācija [Zeiger/ Suslick 2011]
(2008) pētīja augstas tīrības submikrometra alumīnija oksīda keramikas daļiņu izgatavošanu (galvenokārt zem 100 nm diapazonā) no mikrometra izmēra barības (piemēram, 70-80 μm), izmantojot sonofragmentāciju. Viņi novēroja ievērojamas alumīnija oksīda keramikas daļiņu krāsas un formas izmaiņas sono-sadrumstalotības rezultātā. Daļiņas mikronu, submikronu un nano izmēra diapazonā var viegli iegūt ar lieljaudas ultraskaņu. Daļiņu sfēriskums palielinājās, palielinoties aiztures laikam akustiskajā laukā.
Dispersija virsmaktīvajā vielā
Pateicoties efektīvam ultraskaņas daļiņu bojājumam, virsmaktīvo vielu izmantošana ir būtiska, lai novērstu iegūto sub-mikronu un nano izmēra daļiņu deagglomerāciju. Jo mazāks ir daļiņu izmērs, jo lielāka ir virsmas laukuma apekšu attiecība, kas jāpārklāj ar virsmaktīvo vielu, lai noturētu tās suspendētā stāvoklī un izvairītos no daļiņu koagulācijas (aglomerācijas). Ultrasonication priekšrocība ir izkliedējošais efekts: Vienlaikus ar slīpēšanu un sadrumstalotību, ultraskaņas izkliedēja sasmalcinātos daļiņu fragmentus ar virsmaktīvo vielu, lai nano daļiņu aglomerācija būtu (gandrīz) pilnībā novērsta.
Ultraskaņas homogenizatori ir efektīvi un uzticami nanodaļiņu dispersijai ūdenī vai šķīdinātājos. Attēlā redzams laboratorijas ultrasonikators UP100H.
Rūpnieciskā ražošana
Lai apkalpotu tirgu ar augstas kvalitātes nano materiālu, kas izsaka ārkārtas funkcijas, ir nepieciešamas uzticamas apstrādes iekārtas. Ultrasonikatori ar līdz 16kW uz vienu vienību, kas ir klasterizējami, ļauj fort he apstrādāt praktiski neierobežota apjoma plūsmas. Sakarā ar ultraskaņas procesu pilnībā lineāro mērogojamību, ultraskaņas lietojumus var bez riska pārbaudīt laboratorijā, optimizēt stenda mērogā un pēc tam bez problēmām īstenot ražošanas līnijā. Tā kā ultraskaņas aprīkojumam nav nepieciešama liela telpa, to var pat modernizēt esošajās procesa plūsmās. Darbība ir vienkārša, un to var uzraudzīt un palaist, izmantojot tālvadības pulti, savukārt ultraskaņas sistēmas uzturēšana ir gandrīz novārtā.
Daļiņu izmēra sadalījums un Bi2Te3 sakausējuma SEM attēli pirms un pēc ultraskaņas frēzēšanas. a – Daļiņu izmēra sadalījums; b – SEM attēls pirms ultraskaņas frēzēšanas; c – SEM attēls pēc ultraskaņas frēzēšanas 4 h; d – SEM attēls pēc ultraskaņas frēzēšanas 8 h.
avots: Marquez-Garcia et al. 2015.
Sazinieties ar mums! / Jautājiet mums!
Literatūra / Atsauces
- Ambedkar, B. (2012): Ultrasonic Coal-Wash for De-Ashing and De-Sulfurization: Experimental Investigation and Mechanistic Modeling. Springer, 2012.
- Eder, Rafael J. P.; Schrank, Simone; Besenhard, Maximilian O.; Roblegg, Eva; Gruber-Woelfler, Heidrun; Khinast, Johannes G. (2012): Continuous Sonocrystallization of Acetylsalicylic Acid (ASA): Control of Crystal Size. Crystal Growth & Design 12/10, 2012. 4733-4738.
- Gopi, K. R.; Nagarajan, R. (2008): Advances in Nanoalumina Ceramic Particle Fabrication Using Sonofragmentation. IEEE Transactions on Nanotechnology 7/5, 2008. 532-537.
- Kusters, Karl; Pratsinis, Sotiris E.; Thoma, Steven G.; Smith, Douglas M. (1994): Energy-size reduction laws for ultrasonic fragmentation. Powder Technology 80, 1994. 253-263.
- Zeiger, Brad W.; Suslick, Kenneth S. (2011): Sonofragementation of Molecular Crystals. Journal of the American Chemical Society. 2011.
Augstas veiktspējas ultrasonicator UIP2000hdT (2kW, 20kHz) efektīvai daļiņu sajaukšanai, homogenizācijai, nanodispersijai un sonofragmentācijai.
Hielscher Ultrasonics ražo augstas veiktspējas ultraskaņas homogenizatorus sajaukšanas lietojumiem, dispersijai, emulgācijai un ekstrakcijai laboratorijā, izmēģinājuma un rūpnieciskā mērogā.
Hielscher Ultrasonics ražo augstas veiktspējas ultraskaņas homogenizatorus no Lab līdz rūpnieciskais izmērs.