Moagem ultrassónica de nanopós termoelétricos

• A investigação demonstrou que a moagem ultrassónica pode ser utilizada com sucesso para fabricar nanopartículas termoelétricas e tem potencial para manipular as superfícies das partículas.
• As partículas submetidas a moagem ultrassónica (p. ex., liga à base de Bi₂Te₃) apresentaram uma redução significativa de tamanho e deram origem a nanopartículas com menos de 10µm.
• Além disso, a sonicação produz alterações significativas na morfologia superficial das partículas, permitindo assim funcionalizar a superfície de micro e nanopartículas.

Nanopartículas termoelétricas

Os materiais termoelétricos convertem energia térmica em energia elétrica com base nos efeitos Seebeck e Peltier. Torna-se assim possível aproveitar eficazmente energia térmica dificilmente utilizável ou quase perdida em aplicações produtivas. Uma vez que os materiais termoelétricos podem ser incorporados em novas aplicações, como baterias biotérmicas, arrefecimento termoelétrico de estado sólido, dispositivos optoeletrónicos e geração de energia nos setores espacial e automóvel, a investigação e a indústria procuram técnicas simples e rápidas para produzir nanopartículas termoelétricas ecológicas, económicas e estáveis a altas temperaturas. A moagem ultrassónica e a síntese de baixo para cima (sonocristalização) são duas vias promissoras para a produção rápida em massa de nanomateriais termoelétricos.

Equipamento de moagem ultrassónica

Para reduzir o tamanho das partículas de pós de telureto de bismuto (Bi₂Te₃), silicieto de magnésio (Mg₂Si) e silício (Si), foi utilizado o sistema ultrassónico de alta intensidade UIP1000hdT (1kW, 20kHz) numa montagem com um copo de precipitação aberto. Em todos os ensaios, a amplitude foi definida para 140µm. O recipiente da amostra é arrefecido num banho de água e a temperatura é controlada por um termopar. Devido à sonicação num recipiente aberto, foi utilizado arrefecimento para evitar a evaporação das soluções de moagem (p. ex., etanol, butanol ou água).

(a) Diagrama esquemático da montagem experimental. (b) Aparelho de moagem ultrassónica. fonte: Marquez-Garcia et al. 2015.

A moagem ultrassónica durante apenas 4h de uma liga de Bi₂Te₃ já produziu uma quantidade substancial de nanopartículas com tamanhos entre 150 e 400 nm. Além da redução de tamanho para a escala nanométrica, a sonicação também resultou numa alteração da morfologia superficial. As imagens de microscopia eletrónica de varrimento (SEM) na figura abaixo, b, c e d, mostram que as arestas vivas das partículas antes da moagem ultrassónica se tornaram lisas e arredondadas após a moagem ultrassónica.

Distribuição do tamanho das partículas e imagens SEM da liga à base de Bi2Te3 antes e após a moagem ultrassónica. a – Distribuição do tamanho das partículas; b – Imagem SEM antes da moagem ultrassónica; c – Imagem SEM após moagem ultrassónica durante 4 h; d – Imagem SEM após moagem ultrassónica durante 8 h.
fonte: Marquez-Garcia et al. 2015.

Para determinar se a redução do tamanho das partículas e a modificação da superfície são alcançadas exclusivamente pela moagem ultrassónica, foram realizados ensaios semelhantes utilizando um moinho de bolas de alta energia. Os resultados são apresentados na Fig. 3. É evidente que foram produzidas partículas de 200–800 nm por moagem em moinho de bolas durante 48 h (12 vezes mais tempo do que a moagem ultrassónica). A SEM mostra que as arestas vivas das partículas da liga de Bi₂Te₃ permanecem essencialmente inalteradas após a moagem. Estes resultados indicam que as arestas lisas são características exclusivas da moagem ultrassónica. A poupança de tempo proporcionada pela moagem ultrassónica (4 h face a 48 h de moagem em moinho de bolas) também é notável.

Distribuição do tamanho das partículas e imagens SEM de Mg2Si antes e após a moagem ultrassónica. (a) Distribuição do tamanho das partículas; (b) Imagem SEM antes da moagem ultrassónica; (c) Imagem SEM após moagem ultrassónica em 50% PVP–50% EtOH durante 2 h.
fonte: Marquez-Garcia et al. 2015.

Marquez-Garcia et al. (2015) concluem que a moagem ultrassónica pode fragmentar pós de Bi₂Te₃ e Mg₂Si em partículas mais pequenas, cujos tamanhos variam entre 40 e 400 nm, sugerindo uma técnica potencial para a produção industrial de nanopartículas. Em comparação com a moagem em moinho de bolas de alta energia, a moagem ultrassónica apresenta duas características exclusivas:

1. 1. a existência de uma lacuna na distribuição do tamanho das partículas que separa as partículas originais das produzidas por moagem ultrassónica; e
2. 2. alterações substanciais na morfologia superficial são evidentes após a moagem ultrassónica, indicando a possibilidade de manipular as superfícies das partículas.

Conclusão

A moagem ultrassónica de partículas mais duras requer sonicação sob pressão para gerar cavitação intensa. A sonicação sob pressão elevada (denominada manossonicação) aumenta drasticamente as forças de cisalhamento e a tensão exercida sobre as partículas.
Uma montagem de sonicação contínua em linha permite uma carga de partículas mais elevada (suspensão de consistência pastosa), o que melhora os resultados da moagem, uma vez que a moagem ultrassónica se baseia na colisão entre partículas.
A sonicação numa montagem de recirculação discreta permite assegurar um tratamento homogéneo de todas as partículas e, por conseguinte, uma distribuição muito estreita do tamanho das partículas.

Uma grande vantagem da moagem ultrassónica é que a tecnologia pode ser facilmente ampliada para a produção de grandes quantidades – a moagem ultrassónica industrial de elevada potência, disponível comercialmente, pode processar quantidades até 10m³/h.

Vantagens da moagem ultrassónica

• Rápida, poupa tempo
• Poupa energia
• Resultados reprodutíveis
• Sem meios de moagem (sem esferas ou pérolas)
• Baixo custo de investimento

Sonicadores de elevado desempenho

A moagem ultrassónica requer equipamento ultrassónico de elevada potência. Para gerar forças intensas de cisalhamento por cavitação, são cruciais amplitudes e pressões elevadas. Os processadores ultrassónicos industriais da Hielscher Ultrasonics podem fornecer amplitudes muito elevadas. Amplitudes até 200µm podem ser facilmente mantidas de forma contínua em funcionamento 24/7. Para amplitudes ainda mais elevadas, estão disponíveis sonotrodos ultrassónicos personalizados. Em combinação com os reatores de fluxo pressurizáveis da Hielscher, é criada uma cavitação muito intensa que permite superar as ligações intermoleculares e alcançar efeitos de moagem eficientes.
A robustez do equipamento ultrassónico da Hielscher permite o funcionamento 24/7 em condições de trabalho intenso e em ambientes exigentes. O controlo digital e remoto, bem como o registo automático de dados num cartão SD integrado, asseguram um processamento preciso, uma qualidade reprodutível e permitem a normalização do processo.

Vantagens dos sonicadores Hielscher de elevado desempenho

• amplitudes muito elevadas
• pressões elevadas
• processo contínuo em linha
• equipamento robusto
• ampliação linear de escala
• seguros e fáceis de operar
• fáceis de limpar