Ultrasoon malen van thermo-elektrische nanopoeders

• Onderzoek heeft aangetoond dat ultrasoon malen met succes kan worden gebruikt voor de vervaardiging van thermo-elektrische nanodeeltjes en mogelijkheden biedt om de oppervlakken van de deeltjes te manipuleren.
• Ultrasoon gemalen deeltjes (bijv. een legering op basis van Bi₂Te₃) vertoonden een aanzienlijke groottevermindering en leverden nanodeeltjes met een grootte van minder dan 10µm op.
• Bovendien veroorzaakt sonicatie aanzienlijke veranderingen in de oppervlaktemorfologie van de deeltjes en maakt het daardoor mogelijk om het oppervlak van micro- en nanodeeltjes te functionaliseren.

Thermo-elektrische nanodeeltjes

Thermo-elektrische materialen zetten warmte-energie om in elektrische energie op basis van het Seebeck- en Peltier-effect. Daardoor wordt het mogelijk om moeilijk bruikbare of vrijwel verloren warmte-energie effectief te benutten in productieve toepassingen. Omdat thermo-elektrische materialen kunnen worden toegepast in nieuwe toepassingen zoals biothermische batterijen, thermo-elektrische koeling met vastestofcomponenten, opto-elektronische apparaten en elektriciteitsopwekking in de ruimtevaart en de automobielsector, zoeken onderzoekers en de industrie naar eenvoudige en snelle technieken om milieuvriendelijke, economische en bij hoge temperaturen stabiele thermo-elektrische nanodeeltjes te produceren. Ultrasoon malen en bottom-upsynthese (sonokristallisatie) zijn twee veelbelovende routes voor de snelle massaproductie van thermo-elektrische nanomaterialen.

Apparatuur voor ultrasoon malen

Voor het verkleinen van de deeltjes van bismuttelluride (Bi₂Te₃), magnesiumsilicide (Mg₂Si) en siliciumpoeder (Si) werd het ultrasone systeem met hoge intensiteit UIP1000hdT (1kW, 20kHz) gebruikt in een opstelling met een open bekerglas. Voor alle proeven werd de amplitude ingesteld op 140µm. Het monstervat wordt gekoeld in een waterbad; de temperatuur wordt geregeld met een thermokoppel. Omdat de sonicatie in een open vat plaatsvond, werd koeling toegepast om verdamping van de maalvloeistoffen (bijv. ethanol, butanol of water) te voorkomen.

(a) Schematische weergave van de experimentele opstelling. (b) Apparaat voor ultrasoon malen. bron: Marquez-Garcia et al. 2015.

Slechts 4h ultrasoon malen van een Bi₂Te₃-legering leverde al een aanzienlijke hoeveelheid nanodeeltjes op met afmetingen tussen 150 en 400 nm. Naast de verkleining tot het nanobereik resulteerde sonicatie ook in een verandering van de oppervlaktemorfologie. De SEM-beelden b, c en d in de onderstaande figuur laten zien dat de scherpe randen van de deeltjes vóór het ultrasoon malen na het ultrasoon malen glad en rond zijn geworden.

Deeltjesgrootteverdeling en SEM-beelden van een legering op basis van Bi2Te3 vóór en na ultrasoon malen. a – Deeltjesgrootteverdeling; b – SEM-beeld vóór ultrasoon malen; c – SEM-beeld na 4 h ultrasoon malen; d – SEM-beeld na 8 h ultrasoon malen.
bron: Marquez-Garcia et al. 2015.

Om te bepalen of deeltjesverkleining en oppervlaktemodificatie uitsluitend door ultrasoon malen worden bereikt, werden vergelijkbare experimenten uitgevoerd met een hoogenergetische kogelmolen. De resultaten worden weergegeven in fig. 3. Het is duidelijk dat door 48 h malen met een kogelmolen deeltjes van 200–800 nm werden geproduceerd (12 keer langer dan ultrasoon malen). SEM toont aan dat bij de deeltjes van de Bi₂Te₃-legering de scherpe randen na het malen in wezen onveranderd blijven. Deze resultaten wijzen erop dat de gladde randen unieke kenmerken van ultrasoon malen zijn. Ook de tijdsbesparing door ultrasoon malen (4 h tegenover 48 h malen met een kogelmolen) is opmerkelijk.

Deeltjesgrootteverdeling en SEM-beelden van Mg2Si vóór en na ultrasoon malen. (a) Deeltjesgrootteverdeling; (b) SEM-beeld vóór ultrasoon malen; (c) SEM-beeld na 2 h ultrasoon malen in 50% PVP–50% EtOH.
bron: Marquez-Garcia et al. 2015.

Marquez-Garcia et al. (2015) concluderen dat door ultrasoon malen poeder van Bi₂Te₃ en Mg₂Si kan worden afgebroken tot kleinere deeltjes met afmetingen van 40 tot 400 nm, wat wijst op een mogelijke techniek voor de industriële productie van nanodeeltjes. Vergeleken met hoogenergetisch malen met een kogelmolen heeft ultrasoon malen twee unieke kenmerken:

1. 1. het optreden van een onderbreking in de deeltjesgrootteverdeling die de oorspronkelijke deeltjes scheidt van de deeltjes die door ultrasoon malen zijn geproduceerd; en
2. 2. na ultrasoon malen zijn aanzienlijke veranderingen in de oppervlaktemorfologie zichtbaar, wat wijst op de mogelijkheid om de oppervlakken van de deeltjes te manipuleren.

Conclusie

Ultrasoon malen van hardere deeltjes vereist sonicatie onder druk om intense cavitatie te genereren. Sonicatie onder verhoogde druk (zogenoemde manosonicatie) verhoogt de afschuifkrachten en de mechanische spanning op de deeltjes drastisch.
Een continue inline-sonicatieopstelling maakt een hogere deeltjesbelasting mogelijk (een pasta-achtige slurry), wat de maalresultaten verbetert omdat ultrasoon malen gebaseerd is op botsingen tussen deeltjes.
Sonicatie in een afzonderlijke recirculatieopstelling maakt het mogelijk om een homogene behandeling van alle deeltjes en daardoor een zeer smalle deeltjesgrootteverdeling te waarborgen.

Een groot voordeel van ultrasoon malen is dat de technologie eenvoudig kan worden opgeschaald voor de productie van grote hoeveelheden – commercieel beschikbare, krachtige industriële apparatuur voor ultrasoon malen kan hoeveelheden tot 10m³/h verwerken.

Voordelen van ultrasoon malen

• Snel, tijdbesparend
• Energiebesparend
• Reproduceerbare resultaten
• Geen maalmedia (geen kogeltjes of parels)
• Lage investeringskosten

Sonicatoren met hoge prestaties

Ultrasoon malen vereist ultrasone apparatuur met een hoog vermogen. Om intense afschuifkrachten door cavitatie te genereren, zijn hoge amplitudes en druk cruciaal. De industriële ultrasone processoren van Hielscher Ultrasonics kunnen zeer hoge amplitudes leveren. Amplitudes tot 200µm kunnen eenvoudig continu worden toegepast bij 24/7-bedrijf. Voor nog hogere amplitudes zijn op maat gemaakte ultrasone sonotrodes beschikbaar. In combinatie met de doorstroomreactoren van Hielscher die onder druk kunnen worden gezet, ontstaat zeer intense cavitatie, zodat intermoleculaire bindingen kunnen worden verbroken en efficiënte maaleffecten worden bereikt.
De robuustheid van de ultrasone apparatuur van Hielscher maakt 24/7-bedrijf onder zware belasting en in veeleisende omgevingen mogelijk. Digitale besturing en bediening op afstand, evenals automatische gegevensregistratie op een ingebouwde SD-kaart, waarborgen een nauwkeurige verwerking en reproduceerbare kwaliteit en maken processtandaardisatie mogelijk.

Voordelen van de sonicatoren met hoge prestaties van Hielscher

• zeer hoge amplitudes
• hoge drukken
• continu inline-proces
• robuuste apparatuur
• lineaire opschaling
• veilig en eenvoudig te bedienen
• eenvoudig te reinigen