Sonofragmentacja - wpływ ultradźwięków mocy na pękanie cząstek
Sonofragmentacja opisuje rozpad cząstek na fragmenty wielkości nano za pomocą ultradźwięków o dużej mocy. W przeciwieństwie do powszechnej deaglomeracji ultradźwiękowej i frezowania – gdzie cząstki są głównie mielone i oddzielane przez zderzenia międzycząsteczkowe – sono-fragmentacja wyróżnia się bezpośrednią interakcją między cząsteczką a falą uderzeniową. Ultradźwięki o wysokiej mocy i niskiej częstotliwości tworzą kawitację, a tym samym intensywne siły ścinające w cieczach. Ekstremalne warunki zapadania się pęcherzyków kawitacyjnych i zderzenia międzycząsteczkowego rozdrabniają cząstki do bardzo drobnego materiału.
Produkcja ultradźwiękowa i przygotowanie nanocząstek
Efekty ultradźwięków mocy do produkcji materiałów nano są dobrze znane: Dyspergowanie, dezaglomeracja i frezowanie & Szlifowanie, a także rozdrabnianie za pomocą sonikacji są często jedynymi skutecznymi metodami leczenia. nanocząsteczki. Jest to szczególnie prawdziwe w przypadku bardzo drobnych nanomateriałów o szczególnych funkcjach, ponieważ przy nano-rozmiarach wyrażane są unikalne właściwości cząstek. Aby stworzyć nanomateriał o określonych funkcjach, należy zapewnić równomierny i niezawodny proces sonikacji. Hielscher dostarcza sprzęt ultradźwiękowy od skali laboratoryjnej do pełnej komercyjnej wielkości produkcji.
Sono-fragmentacja przez kawitację
Wprowadzenie potężnych sił ultradźwiękowych do cieczy stwarza ekstremalne warunki. Gdy ultradźwięki rozchodzą się w ciekłym ośrodku, fale ultradźwiękowe powodują naprzemienne cykle kompresji i rozrzedzania (cykle wysokiego i niskiego ciśnienia). Podczas cykli niskiego ciśnienia w cieczy powstają małe pęcherzyki próżniowe. Te kawitacja Pęcherzyki rosną przez kilka cykli niskiego ciśnienia, aż osiągną rozmiar, w którym nie mogą wchłonąć więcej energii. W tym stanie maksymalnej pochłoniętej energii i wielkości pęcherzyka, pęcherzyk kawitacyjny gwałtownie zapada się, tworząc lokalnie ekstremalne warunki. Z powodu implozji pęcherzyka kawitacja bąbelków, lokalnie osiągane są bardzo wysokie temperatury ok. 5000K i ciśnienia ok. 2000atm. W wyniku implozji powstają strumienie cieczy o prędkości do 280 m/s (≈1000 km/h). Sono-fragmentacja opisuje wykorzystanie tych intensywnych sił do fragmentacji cząstek do mniejszych wymiarów w zakresie submikronowym i nano. Wraz z postępującą sonikacją kształt cząstek zmienia się z kątowego na sferyczny, co czyni je bardziej wartościowymi. Wyniki sonofragmentacji są wyrażone jako szybkość fragmentacji, która jest opisana jako funkcja mocy wejściowej, sonikowanej objętości i wielkości aglomeratów.
Kusters i in. (1994) zbadali wspomaganą ultradźwiękami fragmentację aglomeratów w odniesieniu do zużycia energii. Wyniki badaczy "wskazują, że technika dyspersji ultradźwiękowej może być równie skuteczna jak konwencjonalne techniki mielenia. Przemysłowa praktyka dyspersji ultradźwiękowej (np. większe sondy, ciągła przepustowość zawiesiny) może nieco zmienić te wyniki, ale ogólnie oczekuje się, że określone zużycie energii nie jest powodem wyboru tej techniki rozdrabniania, ale raczej jej zdolność do wytwarzania bardzo drobnych (submikronowych) cząstek". [Kusters et al. 1994] Zwłaszcza w przypadku proszków erodujących, takich jak Krzemionka lub tlenku cyrkonu, stwierdzono, że energia właściwa wymagana na jednostkę masy proszku jest niższa w przypadku mielenia ultradźwiękowego niż w przypadku konwencjonalnych metod mielenia. Ultradźwięki wpływają na cząstki nie tylko poprzez mielenie i szlifowanie, ale także poprzez polerowanie ciał stałych. W ten sposób można osiągnąć wysoką sferyczność cząstek.
Sono-fragmentacja do krystalizacji nanomateriałów
"Chociaż nie ma wątpliwości, że zderzenia międzycząsteczkowe występują w zawiesinach kryształów molekularnych napromieniowanych ultradźwiękami, nie są one dominującym źródłem fragmentacji. W przeciwieństwie do kryształów molekularnych, cząstki metalu nie są uszkadzane bezpośrednio przez fale uderzeniowe i mogą być dotknięte tylko przez bardziej intensywne (ale znacznie rzadsze) zderzenia międzycząsteczkowe. Zmiana dominujących mechanizmów sonikacji proszków metali w porównaniu z zawiesinami aspiryny podkreśla różnice we właściwościach plastycznych cząstek metalicznych i kruchych kryształów molekularnych." [Zeiger/ Suslick 2011, 14532].
Gopi et al. (2008) zbadali wytwarzanie submikrometrowych cząstek ceramicznych tlenku glinu o wysokiej czystości (głównie w zakresie poniżej 100 nm) z paszy o wielkości mikrometrów (np. 70-80 μm) przy użyciu sonofragmentacji. W wyniku sonofragmentacji zaobserwowano znaczącą zmianę koloru i kształtu cząstek ceramicznych tlenku glinu. Cząstki o wielkości mikronów, submikronów i nano można łatwo uzyskać za pomocą sonikacji o dużej mocy. Sferyczność cząstek zwiększała się wraz ze wzrostem czasu retencji w polu akustycznym.
Dyspersja w środku powierzchniowo czynnym
Ze względu na skuteczne ultradźwiękowe rozbijanie cząstek, stosowanie środków powierzchniowo czynnych jest niezbędne, aby zapobiec deaglomeracji uzyskanych cząstek submikronowych i nanocząstek. Im mniejszy rozmiar cząstek, tym wyższy stosunek powierzchni, który musi być pokryty środkiem powierzchniowo czynnym, aby utrzymać je w zawiesinie i uniknąć koagulacji cząstek (aglomeracji). Zaletą ultradźwięków jest efekt dyspergujący: Równocześnie ze szlifowaniem i fragmentacją, ultradźwięki rozpraszają zmielone fragmenty cząstek za pomocą środka powierzchniowo czynnego, dzięki czemu aglomeracja nanocząstek jest (prawie) całkowicie unikana.
produkcja przemysłowa
Aby dostarczać na rynek wysokiej jakości nanomateriały, które wyrażają niezwykłe funkcje, wymagany jest niezawodny sprzęt do przetwarzania. Ultradźwięki o mocy do 16 kW na jednostkę, które można łączyć w klastry, umożliwiają przetwarzanie praktycznie nieograniczonych strumieni objętości. Ze względu na w pełni liniową skalowalność procesów ultradźwiękowych, aplikacje ultradźwiękowe mogą być bez ryzyka testowane w laboratorium, optymalizowane w skali bench-top, a następnie wdrażane bez problemów do linii produkcyjnej. Ponieważ sprzęt ultradźwiękowy nie wymaga dużej przestrzeni, można go nawet doposażyć w istniejące strumienie procesowe. Operacja jest łatwa i może być monitorowana i uruchamiana za pomocą zdalnego sterowania, podczas gdy konserwacja systemu ultradźwiękowego jest prawie pomijalna.
Skontaktuj się z nami! / Zapytaj nas!
Literatura / Referencje
- 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.