Sonofragmentacija - učinek ultrazvoka moči na lomljenje delcev

Sonofragmentacija opisuje razbijanje delcev v nano-velike fragmente z ultrazvokom visoke moči. V nasprotju s skupno ultrazvočno deaglomeracijo in mletjem – kjer se delci večinoma zmeljejo in ločijo s trkom med delci – , se sono-fragementacija odlikuje po neposredni interakciji med delci in udarnim valom. Visokozmogljiv / nizkofrekvenčni ultrazvok ustvarja kavitacijo in s tem intenzivne strižne sile v tekočinah. Ekstremni pogoji kolapsa kavitacijskih mehurčkov in interspecifičnih trkov zmeljejo delce do zelo finega materiala.

Ultrazvočna proizvodnja in priprava nano delcev

Učinki močnega ultrazvoka za proizvodnjo nano materialov so dobro znani: disperzija, deaglomeracija in rezkanje & Brušenje in fragmentacija s ultrazvočno razbijanjem sta pogosto edina učinkovita metoda za zdravljenje Nano delci. To še posebej velja, ko gre za zelo fine nano materiale s posebnimi funkcijami, saj so pri nano velikosti izražene edinstvene lastnosti delcev. Za ustvarjanje nano materiala s posebnimi funkcionalnostmi je treba zagotoviti enakomeren in zanesljiv postopek ultrazvočnega razbijanja. Hielscher dobavlja ultrazvočno opremo od laboratorijskega obsega do polne komercialne proizvodnje.

Sono-fragmentacija s kavitacijo

Vnos močnih ultrazvočnih sil v tekočine ustvarja ekstremne pogoje. Ko ultrazvok širi tekoči medij, ultrazvočni valovi povzročijo izmenične cikle stiskanja in redčenja (visokotlačni in nizkotlačni cikli). Med nizkotlačnimi cikli se v tekočini pojavijo majhni vakuumski mehurčki. Ti Kavitacija Mehurčki rastejo v več nizkotlačnih ciklih, dokler ne dosežejo velikosti, ko ne morejo absorbirati več energije. V tem stanju največje absorbirane energije in velikosti mehurčkov se kavitacijski mehurček silovito zruši in ustvari lokalno ekstremne pogoje. Zaradi implozije Kavitacija mehurčki, zelo visoke temperature približno 5000 K in tlaki približno 2000 atm so doseženi lokalno. Implozija ima za posledico tekoče curke s hitrostjo do 280 m / s (≈ 1000 km / h). Sono-fragmentacija opisuje uporabo teh intenzivnih sil za fragmentacijo delcev na manjše dimenzije v submikronskem in nano območju. Z napredujočo ultrazvočno razbijanjem se oblika delcev spremeni iz kotne v sferično, zaradi česar so delci bolj dragoceni. Rezultati sonofragmentacije so izraženi kot hitrost fragmentacije, ki je opisana kot funkcija vhodne moči, ultrazvočne prostornine in velikosti aglomeratov.
Kusters et al. (1994) so raziskovali ultrazvočno podprto fragmentacijo aglomeratov glede na porabo energije. Rezultati raziskovalcev "kažejo, da je tehnika ultrazvočne disperzije lahko tako učinkovita kot običajne tehnike brušenja. Industrijska praksa ultrazvočne disperzije (npr. Večje sonde, neprekinjena prepustnost suspenzije) lahko nekoliko spremeni te rezultate, vendar se na splošno pričakuje, da specifična poraba energije ni razlog za izbiro te tehnike drobljenca, temveč njena sposobnost proizvajanja izjemno finih (submikronskih) delcev. [Kusters et al. 1994] Še posebej za erodiranje praškov, kot so Kremena ali cirkonija, je bilo ugotovljeno, da je specifična energija, potrebna na enoto mase prahu, nižja z ultrazvočnim mletjem kot pri običajnih metodah brušenja. Ultrasonication vpliva na delce ne le z mletjem in brušenjem, ampak tudi s poliranjem trdnih snovi. S tem lahko dosežemo visoko sferičnost delcev.

Sono-fragmentacija za kristalizacijo nanomaterialov

"Čeprav ni dvoma, da se trki med delci pojavljajo v gnojevkah molekularnih kristalov, obsevanih z ultrazvokom, niso prevladujoči vir fragmentacije. V nasprotju z molekularnimi kristali kovinski delci niso neposredno poškodovani zaradi udarnih valov in jih lahko prizadenejo le intenzivnejši (vendar veliko redkejši) trki med delci. Premik v prevladujočih mehanizmih za ultrazvočno razbijanje kovinskih prahov v primerjavi z aspirinskimi suspenzijami poudarja razlike v lastnostih tempranih kovinskih delcev in krhkih molekularnih kristalov. [Zeiger / Suslick 2011, 14532]

Sonofragmentacija delcev aspirina [Zeiger / Suslick 2011]

Gopi et al. (2008) so raziskali izdelavo visoko čistih submikrometrskih keramičnih delcev aluminijevega oksida (pretežno v območju pod 100 nm) iz mikrometrske krme (npr. 70-80 μm) z uporabo sonofragmentacije. Opazili so pomembno spremembo barve in oblike keramičnih delcev aluminijevega oksida zaradi sono-fragmentacije. Delce v mikronskih, submikronskih in nano velikostih je mogoče zlahka pridobiti z visoko močjo ultrazvočne razbijanja. Sferičnost delcev se je povečala s povečevanjem zadrževalnega časa v akustičnem polju.

Disperzija v površinsko aktivni snovi

Zaradi učinkovitega ultrazvočnega lomljenja delcev je uporaba površinsko aktivnih snovi bistvenega pomena za preprečevanje deaglomeracije pridobljenih submikronskih in nano-velikih delcev. Manjša kot je velikost delcev, višje je razmerje med površino, ki jo je treba prekriti s površinsko aktivno snovjo, da ostanejo v suspenziji in da se prepreči koagualacija delcev (aglomeracija). Prednost ultrazvočne razpršitve je v učinku razprševanja: sočasno z brušenjem in fragmentacijo je ultrazvok razpršil mlete delce delcev s površinsko aktivno snovjo, tako da se je aglomeracija nano delcev (skoraj) popolnoma izognila.

industrijska proizvodnja

Za oskrbo trga z visoko kakovostnim nano materialom, ki izraža izjemne funkcionalnosti, je potrebna zanesljiva oprema za obdelavo. Ultrazvočni aparati z močjo do 16 kW na enoto, ki jih je mogoče grozditi, omogočajo obdelavo skoraj neomejenih tokov volumna. Zaradi popolnoma linearne razširljivosti ultrazvočnih procesov se lahko ultrazvočne aplikacije brez tveganja testirajo v laboratoriju, optimizirajo v merilu in nato brez težav izvajajo v proizvodno linijo. Ker ultrazvočna oprema ne zahteva velikega prostora, jo je mogoče celo naknadno opremiti v obstoječe procesne tokove. Delovanje je enostavno in ga je mogoče spremljati in izvajati z daljinskim upravljalnikom, medtem ko je vzdrževanje ultrazvočnega sistema skoraj zanemarljivo.

Porazdelitev velikosti delcev in slike SEM zlitine na osnovi Bi2Te3 pred in po ultrazvočnem rezkanju. a – Porazdelitev velikosti delcev; b – SEM slika pred ultrazvočnim rezkanjem; c – SEM slika po ultrazvočnem rezkanju 4 ure; d – SEM slika po ultrazvočnem rezkanju 8 ur.
vir: Marquez-Garcia et al. 2015.

Literatura / Reference