Sonofragmentimi - Efekti i ultrazërit të fuqisë në thyerjen e grimcave

Sonofragmentimi përshkruan thyerjen e grimcave në fragmente me madhësi nano nga ultratingulli me fuqi të lartë. Në kontrast me deagglomerimin dhe bluarjen e zakonshme tejzanor – ku grimcat kryesisht bluhen dhe ndahen nga përplasja ndërmjet grimcave – , sono-fragmentimi dallohet nga ndërveprimi i drejtpërdrejtë midis grimcave dhe valës së goditjes. Ultratingulli me fuqi të lartë/frekuencë të ulët krijon kavitacion dhe në këtë mënyrë forca prerëse intensive në lëngje. Kushtet ekstreme të kolapsit të flluskave kavitacionale dhe përplasjes ndërpartikulare bluajnë grimcat në një material me madhësi shumë të imët.

Prodhimi tejzanor dhe Përgatitja e Nano Grimcave

Efektet e ultrazërit të fuqisë për prodhimin e nano materialeve janë të njohura: Dispersing, Deagglomeration dhe Milling. & Bluarja si dhe copëzimi me anë të sonikacionit janë shpesh metoda e vetme efektive për t'u trajtuar nano grimca. Kjo është veçanërisht e vërtetë kur bëhet fjalë për nano materiale shumë të mira me funksionalitete të veçanta pasi me madhësi nano shprehen karakteristika unike të grimcave. Për të krijuar nano material me funksionalitete specifike, duhet të sigurohet një proces i njëtrajtshëm dhe i besueshëm i sonikimit. Hielscher furnizon pajisje tejzanor nga shkalla laboratorike deri në madhësinë e plotë të prodhimit komercial.

Sono-Fragmentimi nga Kavitacioni

Futja e forcave të fuqishme tejzanor në lëngje krijon kushte ekstreme. Kur ultrazërit përhapin një mjedis të lëngshëm, valët tejzanor rezultojnë në cikle të alternuara të kompresimit dhe rrallimit (ciklet e presionit të lartë dhe presionit të ulët). Gjatë cikleve të presionit të ulët, flluska të vogla vakum lindin në lëng. Këto kavitacion flluskat rriten gjatë disa cikleve me presion të ulët derisa të arrijnë një madhësi kur nuk mund të thithin më shumë energji. Në këtë gjendje të energjisë maksimale të absorbuar dhe madhësisë së flluskës, flluska e kavitacionit shembet me dhunë dhe krijon kushte ekstreme në nivel lokal. Për shkak të shpërthimit të kavitacion flluska, temperatura shumë të larta prej përafërsisht. 5000K dhe presione prej përafërsisht. 2000 atm janë arritur në vend. Shpërthimi rezulton në avionë të lëngshëm deri në 280 m/s (≈1000 km/h) shpejtësi. Sono-fragmentimi përshkruan përdorimin e këtyre forcave intensive për të copëtuar grimcat në dimensione më të vogla në rangun nën-mikron dhe nano. Me një sonikacion progresiv, forma e grimcave kthehet nga këndore në sferike, gjë që i bën grimcat më të vlefshme. Rezultatet e sonofragmentimit shprehen si shkallë fragmentimi e cila përshkruhet si një funksion i fuqisë hyrëse, vëllimit të sonikuar dhe madhësisë së aglomerateve.
Kusters et al. (1994) hetoi fragmentimin e asistuar me ultratinguj të aglomerateve në lidhje me konsumin e tij të energjisë. Rezultatet e studiuesve “tregojnë se teknika e shpërndarjes tejzanor mund të jetë po aq efikase sa teknikat konvencionale të bluarjes. Praktika industriale e dispersionit tejzanor (p.sh. sonda më të mëdha, qarkullimi i vazhdueshëm i pezullimit) mund t'i ndryshojë disi këto rezultate, por në përgjithësi pritet që konsumi specifik i energjisë nuk është arsyeja për zgjedhjen e kësaj teknike komminutron, por aftësia e saj për të prodhojnë grimca jashtëzakonisht të imta (nënmikrone).“ [Kusters et al. 1994] Veçanërisht për pluhurat gërryese si p.sh Silicë ose zirkonia, energjia specifike e kërkuar për njësi masë pluhuri u zbulua të ishte më e ulët nga bluarja me ultratinguj sesa ajo e metodave konvencionale të bluarjes. Ultratingulli ndikon në grimcat jo vetëm duke bluar dhe bluar, por edhe duke lustruar lëndët e ngurta. Në këtë mënyrë, mund të arrihet një sfericitet i lartë i grimcave.

Sono-fragmentimi për kristalizimin e nanomaterialeve

“Ndërsa ka pak dyshim se përplasjet ndër-grimcash ndodhin në grimcat e kristaleve molekulare të rrezatuara me ultratinguj, ato nuk janë burimi dominues i fragmentimit. Në kontrast me kristalet molekulare, grimcat metalike nuk dëmtohen drejtpërdrejt nga valët e goditjes dhe mund të preken vetëm nga përplasjet më intensive (por shumë më të rralla) ndër grimcash. Zhvendosja në mekanizmat mbizotërues për sonikimin e pluhurave metalikë kundrejt llumit të aspirinës thekson ndryshimet në vetitë e grimcave metalike të lakueshme dhe kristaleve molekulare të shkrifëta." [Zeiger/ Suslick 2011, 14532]

Sonofragmentimi i grimcave të aspirinës [Zeiger/ Suslick 2011]

Gopi etj. (2008) hetoi fabrikimin e grimcave qeramike të aluminit nënmikrometër me pastërti të lartë (kryesisht në intervalin nën-100 nm) nga ushqimi me madhësi mikrometër (p.sh., 70-80 μm) duke përdorur sonofragmentim. Ata vunë re një ndryshim të rëndësishëm në ngjyrën dhe formën e grimcave qeramike të aluminit si rezultat i sono-fragmentimit. Grimcat në diapazon me madhësi mikron, nën mikron dhe nano mund të merren lehtësisht nga sonikimi me fuqi të lartë. Sfericiteti i grimcave u rrit me rritjen e kohës së mbajtjes në fushën akustike.

Dispersion në Surfaktant

Për shkak të thyerjes efektive të grimcave tejzanor, përdorimi i surfaktantëve është thelbësor për të parandaluar deagglomerimin e grimcave të përftuara nën mikron dhe me madhësi nano. Sa më e vogël të jetë madhësia e grimcave, aq më i lartë është raporti i aspektit të sipërfaqes, e cila duhet të mbulohet me surfaktant për t'i mbajtur ato në pezullim dhe për të shmangur koagulimin e grimcave (aglomerimin). Avantazhi i ultrazërit qëndron në efektin shpërndarës: Njëkohësisht me bluarjen dhe copëzimin, ultratingujt shpërndanë fragmentet e grimcave të grira me surfaktant, në mënyrë që grumbullimi i shpeshtë i grimcave nano të shmanget (pothuajse) plotësisht.

prodhimit industrial

Për t'i shërbyer tregut me nano material të cilësisë së lartë që shpreh funksionalitete të jashtëzakonshme, kërkohen pajisje të besueshme përpunimi. Ultrasonikët me fuqi deri në 16 kW për njësi, të cilët janë të grupueshëm, lejojnë përpunimin e rrymave me vëllim praktikisht të pakufizuar. Për shkak të shkallëzueshmërisë plotësisht lineare të proceseve tejzanor, aplikacionet tejzanor mund të testohen pa rrezik në laborator, të optimizohen në shkallën e sipërme dhe më pas të zbatohen pa probleme në linjën e prodhimit. Meqenëse pajisja tejzanor nuk kërkon një hapësirë të madhe, ajo mund të përshtatet edhe në rrjedhat ekzistuese të procesit. Funksionimi është i lehtë dhe mund të monitorohet dhe ekzekutohet me telekomandë, ndërkohë që mirëmbajtja e një sistemi tejzanor është pothuajse i neglizhueshëm.

Shpërndarja e grimcave dhe imazhet SEM të aliazhit të bazuar në Bi2Te3 para dhe pas bluarjes me ultratinguj. a – Shpërndarja në madhësi të grimcave; b – Imazhi SEM para bluarjes me ultratinguj; c – Imazhi SEM pas bluarjes me ultratinguj për 4 orë; d – Imazhi SEM pas bluarjes me ultratinguj për 8 orë.
burimi: Marquez-Garcia et al. 2015.

Literatura / Referencat