Măcinarea cu ultrasunete a nanopulberilor termoelectrice

• Cercetările au arătat că măcinarea cu ultrasunete poate fi utilizată cu succes pentru fabricarea nanoparticulelor termoelectrice și are potențialul de a manipula suprafețele particulelor.
• Particulele măcinate cu ultrasunete (de ex. aliaj pe bază de Bi₂Te₃) au prezentat o reducere semnificativă a dimensiunii, fiind fabricate nanoparticule cu dimensiuni sub 10µm.
• În plus, sonicarea produce modificări semnificative ale morfologiei suprafeței particulelor și permite astfel funcționalizarea suprafeței micro- și nanoparticulelor.

Nanoparticule termoelectrice

Materialele termoelectrice convertesc energia termică în energie electrică pe baza efectului Seebeck și Peltier. Astfel devine posibilă transformarea eficientă a energiei termice greu utilizabile sau aproape pierdute în aplicații productive. Deoarece materialele termoelectrice pot fi incluse în aplicații noi precum bateriile biotermice, răcirea termoelectrică în stare solidă, dispozitivele optoelectronice, domeniul spațial și generarea de energie în industria auto, cercetarea și industria caută tehnici simple și rapide pentru producerea de nanoparticule termoelectrice ecologice, economice și stabile la temperaturi ridicate. Măcinarea cu ultrasunete precum și sinteza de jos în sus (sono-cristalizarea) sunt două căi promițătoare pentru producția rapidă în masă de nanomateriale termoelectrice.

Echipamente pentru măcinarea cu ultrasunete

Pentru reducerea dimensiunii particulelor de pulbere de telurură de bismut (Bi₂Te₃), siliciură de magneziu (Mg₂Si) și siliciu (Si), a fost utilizat sistemul ultrasonic de mare intensitate UIP1000hdT (1kW, 20kHz) într-o configurație cu pahar deschis. Pentru toate încercările, amplitudinea a fost setată la 140µm. Vasul cu proba este răcit într-o baie de apă, iar temperatura este controlată prin termocuplu. Din cauza sonicării într-un vas deschis, s-a utilizat răcirea pentru a preveni evaporarea soluțiilor de măcinare (de ex. etanol, butanol sau apă).

(a) Diagrama schematică a configurației experimentale. (b) Aparatul de măcinare cu ultrasunete. sursa: Marquez-Garcia et al. 2015.

Măcinarea cu ultrasunete timp de doar 4h a aliajului de Bi₂Te₃ a generat deja o cantitate substanțială de nanoparticule cu dimensiuni între 150 și 400 nm. Pe lângă reducerea dimensiunii până în domeniul nano, sonicarea a dus și la o modificare a morfologiei suprafeței. Imaginile SEM b, c și d din figura de mai jos arată că marginile ascuțite ale particulelor dinainte de măcinarea cu ultrasunete au devenit netede și rotunjite după măcinarea cu ultrasunete.

Distribuția dimensiunii particulelor și imaginile SEM ale aliajului pe bază de Bi2Te3 înainte și după măcinarea cu ultrasunete. a – Distribuția dimensiunii particulelor; b – Imagine SEM înainte de măcinarea cu ultrasunete; c – Imagine SEM după măcinarea cu ultrasunete timp de 4 h; d – Imagine SEM după măcinarea cu ultrasunete timp de 8 h.
sursa: Marquez-Garcia et al. 2015.

Pentru a determina dacă reducerea dimensiunii particulelor și modificarea suprafeței sunt obținute exclusiv prin măcinarea cu ultrasunete, au fost efectuate experimente similare folosind o moară cu bile de înaltă energie. Rezultatele sunt prezentate în Fig. 3. Este evident că prin măcinarea cu bile timp de 48 h (de 12 ori mai mult decât măcinarea cu ultrasunete) au fost produse particule de 200–800 nm. SEM arată că marginile ascuțite ale particulelor din aliajul de Bi₂Te₃ rămân practic neschimbate după măcinare. Aceste rezultate indică faptul că marginile netede sunt caracteristici unice ale măcinării cu ultrasunete. Economia de timp obținută prin măcinarea cu ultrasunete (4 h vs 48 h de măcinare cu bile) este, de asemenea, remarcabilă.

Distribuția dimensiunii particulelor și imaginile SEM ale Mg2Si înainte și după măcinarea cu ultrasunete. (a) Distribuția dimensiunii particulelor; (b) Imagine SEM înainte de măcinarea cu ultrasunete; (c) Imagine SEM după măcinarea cu ultrasunete în 50% PVP–50% EtOH timp de 2 h.
sursa: Marquez-Garcia et al. 2015.

Marquez-Garcia et al. (2015) concluzionează că măcinarea cu ultrasunete poate degrada pulberile de Bi₂Te₃ și Mg₂Si în particule mai mici, ale căror dimensiuni variază între 40 și 400 nm, sugerând o tehnică potențială pentru producția industrială de nanoparticule. Comparativ cu măcinarea cu bile de înaltă energie, măcinarea cu ultrasunete are două caracteristici unice:

1. 1. apariția unui decalaj de dimensiune a particulelor, care separă particulele originale de cele produse prin măcinarea cu ultrasunete; și
2. 2. modificări substanțiale ale morfologiei suprafeței sunt evidente după măcinarea cu ultrasunete, ceea ce indică posibilitatea de a manipula suprafețele particulelor.

Concluzie

Măcinarea cu ultrasunete a particulelor mai dure necesită sonicare sub presiune pentru a genera cavitație intensă. Sonicarea la presiune ridicată (așa-numita manosonicare) crește drastic forțele de forfecare și solicitarea asupra particulelor.
O configurație de sonicare continuă inline permite o încărcare mai mare cu particule (suspensie de tip pastă), ceea ce îmbunătățește rezultatele măcinării, deoarece măcinarea cu ultrasunete se bazează pe coliziunea dintre particule.
Sonicarea într-o configurație discretă cu recirculare permite asigurarea unui tratament omogen al tuturor particulelor și, prin urmare, o distribuție foarte îngustă a dimensiunii particulelor.

Un avantaj major al măcinării cu ultrasunete este că tehnologia poate fi scalată cu ușurință pentru producția de cantități mari – sistemele industriale de măcinare cu ultrasunete, puternice și disponibile comercial, pot procesa cantități de până la 10m³/h.

Avantajele măcinării cu ultrasunete

• Rapidă, economisește timp
• Economie de energie
• Rezultate reproductibile
• Fără medii de măcinare (fără bile sau perle)
• Cost redus de investiție

Ultrasonicatoare de înaltă performanță

Măcinarea cu ultrasunete necesită echipamente ultrasonice de mare putere. Pentru a genera forțe intense de forfecare prin cavitație, amplitudinile ridicate și presiunea sunt esențiale. Procesoarele ultrasonice industriale Hielscher Ultrasonics pot furniza amplitudini foarte ridicate. Amplitudini de până la 200µm pot fi menținute cu ușurință în funcționare continuă 24/7. Pentru amplitudini și mai mari sunt disponibile sonotrode ultrasonice personalizate. În combinație cu reactoarele de flux presurizabile Hielscher, se creează o cavitație foarte intensă, astfel încât legăturile intermoleculare pot fi învinse și se obțin efecte eficiente de măcinare.
Robustețea echipamentelor ultrasonice Hielscher permite funcționarea 24/7 în regim greu și în medii solicitante. Controlul digital și de la distanță, precum și înregistrarea automată a datelor pe un card SD încorporat asigură o procesare precisă, o calitate reproductibilă și permit standardizarea proceselor.

Avantajele ultrasonicatoarelor de înaltă performanță Hielscher

• amplitudini foarte ridicate
• presiuni ridicate
• proces continuu inline
• echipamente robuste
• scalare liniară
• sigure și ușor de operat
• ușor de curățat