Сонофрагментация - влияние ультразвука силы на разрушение частиц

Сонофрагментация описывает разложение частиц на наноразмерные фрагменты с помощью ультразвука высокой мощности. В отличие от общей ультразвуковой деагломерации и фрезерования – где частицы в основном измельчаются и разделяются межчастичным столкновением – , сонображение отличается прямым взаимодействием между частицей и ударной волной. Ультразвук высокой мощности / низкой частоты создает кавитацию и тем самым усиливает силы сдвига в жидкостях. Крайние условия разрушения кавитационного пузыря и межчастичного столкновения измельчают частицы до материала очень тонкого размера.

Ультразвуковое производство и подготовка наночастиц

Эффект мощного ультразвука для производства наноматериалов хорошо известен: диспергирование, деагломерация и фрезерование & Шлифование, а также фрагментация ультразвуком часто являются единственным эффективным методом лечения наночастицы, Это особенно актуально, когда речь заходит о очень тонких наноматериалах с особыми функциональными возможностями, так как с уникальными характеристиками частиц наноразмерного размера. Чтобы создать наноматериал с определенными функциональными возможностями, должен быть обеспечен ровный и надежный процесс обработки ультразвуком. Hielscher поставляет ультразвуковое оборудование от лабораторной шкалы до полного объема промышленного производства.

Соно-фрагментация кавитацией

Ввод мощных ультразвуковых сил в жидкости создает экстремальные условия. Когда ультразвук распространяется по жидкой среде, ультразвуковые волны приводят к чередованию циклов сжатия и разрежения (циклы высокого давления и низкого давления). Во время циклов низкого давления в жидкости возникают небольшие пузырьки пузырьков. Эти кавитация пузырьки растут в течение нескольких циклов низкого давления, пока они не достигнут размера, когда они не могут поглощать больше энергии. При этом состоянии максимальной поглощенной энергии и размера пузырька кавитационный пузырь сильно разваливается и создает локально экстремальные условия. Из-за имплозии кавитация пузырьки, очень высокие температуры ок. 5000K и давления ок. 2000atm достигаются локально. Имплозия приводит к жидкостным струям со скоростью до 280 м / с (≈1000 км / ч). Соно-фрагментация описывает использование этих интенсивных сил для фрагментации частиц до меньших размеров в субмикронном и нанодиапазоне. При прогрессирующей ультразвуковой обработке форма частиц превращается из угловой в сферическую, что делает частицы более ценными. Результаты сонофрагментации выражаются как скорость фрагментации, которая описывается как функция мощности, объем ультразвука и размер агломератов.
Kusters et al. (1994) исследовали ультрасонически ассистированную фрагментацию агломератов в связи с ее потреблением энергии. Результаты исследователей "показывают, что ультразвуковой метод дисперсии может быть столь же эффективным, как обычные методы шлифования. Промышленная практика ультразвуковой дисперсии (например, более крупные зонды, непрерывная пропускная их пропускная стоимость) может несколько изменить эти результаты, но ожидается, что конкретное потребление энергии не является причиной выбора этого комминутрона техники, а его способность производить очень тонкие (субмикрон) частицы ". (Кустеры и др. 1994) Особенно для эрозии порошков, таких как кремнезем или диоксида циркония, удельная энергия, требуемая на единицу массы порошка, оказалась более низкой благодаря ультразвуковому измельчению, чем у обычных способов измельчения. Ультразвук воздействует на частицы не только на измельчение и измельчение, но и на полировку твердых веществ. Таким образом, может быть достигнута высокая сферичность частиц.

Соно-фрагментация для кристаллизации наноматериалов

«Хотя нет сомнений в том, что межчастичные столкновения происходят в суспензиях молекулярных кристаллов, облученных ультразвуком, они не являются доминирующим источником фрагментации. В отличие от молекулярных кристаллов частицы металла непосредственно не повреждаются ударными волнами и могут быть затронуты только более интенсивными (но гораздо более редкими) столкновениями между частицами. Сдвиг в доминирующих механизмах ультразвуковой обработки металлических порошков по сравнению с аспириновыми суспензиями подчеркивает различия в свойствах подавляемых металлических частиц и рыхлых молекулярных кристаллов ». [Zeiger / Suslick 2011, 14532]

Сонофрагментация частиц аспирина [Zeiger / Suslick 2011]

Gopi et al. (2008) исследовали изготовление субмикрометрических субмикрометрических керамических частиц глинозема (преимущественно в диапазоне суб-100 нм) из микрометрового корма (например, 70-80 мкм) с использованием сонофрагментации. Они наблюдали значительное изменение цвета и формы глиноземных керамических частиц в результате соно-фрагментации. Частицы в микрон, субмикрон и наноразмерный диапазон могут быть легко получены с помощью высокой мощности sonication. Сферичность частиц увеличивалась с увеличением времени удержания в акустическом поле.

Дисперсия в поверхностно-активном веществе

Из-за эффективного разрушения ультразвуковых частиц использование поверхностно-активных веществ необходимо для предотвращения деагломерации полученных субмикронных и наноразмерных частиц. Чем меньше размер частиц, тем выше отношение площади поверхности, которое должно покрываться поверхностно-активным веществом, чтобы удерживать их в суспензии и избегать коагуляции частиц (агломерации). Преимущество ультразвука заключается в диспергирующем эффекте: одновременно с измельчением и фрагментацией ультразвуки диспергировали измельченные частицы с поверхностно-активным веществом, так что агломерация его наночастиц полностью (почти) полностью исключена.

Индустриальное производство

Чтобы обслуживать рынок высококачественным наноматериалом, который выражает исключительные функциональные возможности, требуется надежное технологическое оборудование. Ультразвуковые приборы мощностью до 16 кВт на единицу, которые являются кластеризуемыми, позволяют обрабатывать практически неограниченные объемные потоки. Благодаря полностью линейной масштабируемости ультразвуковых процессов, ультразвуковые приложения могут быть безрисковой проверены в лаборатории, оптимизированы в настольной шкале, а затем без проблем внедрены в производственную линию. Поскольку ультразвуковое оборудование не требует большого пространства, его можно даже модернизировать в существующих технологических потоках. Операция проста и может контролироваться и запускаться с помощью пульта дистанционного управления, в то время как обслуживание ультразвуковой системы почти не учитывается.

Распределение размером с частици и SEM-изображения сплава на основе Bi2Te3 до и после ультразвукового фрезерования. a – Распределение размеров частиц; B – SEM изображение перед ультразвуковым фрезерным; C – SEM изображение после ультразвукового фрезерования в течение 4 ч; D – SEM изображение после ультразвукового фрезерования в течение 8 ч.
источник: Маркес-Гарсия и др.

Литература / Ссылки