Ултразвучно млевење термоелектричних нанопрахова

• Истраживања су показала да се ултразвучно млевење може успешно користити за производњу термоелектричних наночестица и да има потенцијал за модификовање површина честица.
• Ултразвучно самлевене честице (нпр. легура на бази Bi₂Te₃) показале су значајно смањење величине, при чему су добијене наночестице мање од 10µm.
• Поред тога, соникација доводи до значајних промена морфологије површине честица и тиме омогућава функционализацију површине микро- и наночестица.

Термоелектричне наночестице

Термоелектрични материјали претварају топлотну енергију у електричну на основу Зебековог и Пелтијеовог ефекта. Тиме постаје могуће ефикасно искористити тешко употребљиву или готово изгубљену топлотну енергију у продуктивне сврхе. Пошто се термоелектрични материјали могу применити у новим областима, као што су биотермалне батерије, термоелектрично хлађење у чврстом стању, оптоелектронски уређаји и производња електричне енергије у свемирским и аутомобилским применама, истраживачи и индустрија трагају за једноставним и брзим техникама производње еколошки прихватљивих, економичних термоелектричних наночестица стабилних на високим температурама. Ултразвучно млевење као и синтеза одоздо нагоре (сонокристализација) представљају два перспективна приступа брзој масовној производњи термоелектричних наноматеријала.

Опрема за ултразвучно млевење

За смањење величине честица праха бизмут-телурида (Bi₂Te₃), магнезијум-силицида (Mg₂Si) и силицијума (Si) коришћен је ултразвучни систем високог интензитета UIP1000hdT (1kW, 20kHz) у поставци са отвореном лабораторијском чашом. У свим испитивањима амплитуда је подешена на 140µm. Посуда са узорком хлади се у воденом купатилу, а температура се контролише термопаром. Због соникације у отвореној посуди, хлађење је коришћено да би се спречило испаравање раствора за млевење (нпр. етанола, бутанола или воде).

(a) Шематски приказ експерименталне поставке. (b) Апарат за ултразвучно млевење. извор: Marquez-Garcia et al. 2015.

Ултразвучно млевење легуре Bi₂Te₃ у трајању од само 4h већ је дало значајну количину наночестица величине између 150 и 400 nm. Поред смањења величине на наноопсег, соникација је довела и до промене морфологије површине. SEM снимци b, c и d на слици испод показују да су оштре ивице честица пре ултразвучног млевења постале глатке и заобљене након ултразвучног млевења.

Расподела величине честица и SEM снимци легуре на бази Bi2Te3 пре и после ултразвучног млевења. a – Расподела величине честица; b – SEM снимак пре ултразвучног млевења; c – SEM снимак после ултразвучног млевења у трајању од 4 h; d – SEM снимак после ултразвучног млевења у трајању од 8 h.
извор: Marquez-Garcia et al. 2015.

Да би се утврдило да ли се смањење величине честица и модификација површине постижу искључиво ултразвучним млевењем, слични експерименти су спроведени коришћењем високоенергетског кугличног млина. Резултати су приказани на сл. 3. Очигледно је да су честице величине 200–800 nm добијене млевењем у кугличном млину у трајању од 48 h (12 пута дуже него ултразвучним млевењем). SEM показује да оштре ивице честица легуре Bi₂Te₃ остају суштински непромењене након млевења. Ови резултати указују на то да су глатке ивице јединствена карактеристика ултразвучног млевења. Уштеда времена ултразвучним млевењем (4 h у поређењу са 48 h млевења у кугличном млину) такође је значајна.

Расподела величине честица и SEM снимци Mg2Si пре и после ултразвучног млевења. (a) Расподела величине честица; (b) SEM снимак пре ултразвучног млевења; (c) SEM снимак после ултразвучног млевења у 50% PVP–50% EtOH у трајању од 2 h.
извор: Marquez-Garcia et al. 2015.

Marquez-Garcia et al. (2015) закључују да се ултразвучним млевењем прах Bi₂Te₃ и Mg₂Si може уситнити у мање честице, чије се величине крећу од 40 до 400 nm, што указује на потенцијал ове технике за индустријску производњу наночестица. У поређењу са високоенергетским млевењем у кугличном млину, ултразвучно млевење има две јединствене карактеристике:

1. 1. појаву јаза у величини честица који раздваја почетне честице од оних произведених ултразвучним млевењем; и
2. 2. значајне промене морфологије површине уочљиве су након ултразвучног млевења, што указује на могућност модификовања површина честица.

Закључак

Ултразвучно млевење тврђих честица захтева соникацију под притиском ради стварања интензивне кавитације. Соникација при повишеном притиску (такозвана маносоникација) драстично повећава силе смицања и напрезање којем су честице изложене.
Поставка за континуирану соникацију у протоку омогућава веће оптерећење честицама (суспензија налик пасти), што побољшава резултате млевења јер се ултразвучно млевење заснива на међусобним сударима честица.
Соникација у засебној рециркулационој поставци омогућава да се обезбеди хомогена обрада свих честица, а тиме и веома уска расподела величине честица.

Велика предност ултразвучног млевења је то што се технологија може лако пренети на већи обим ради производње великих количина – комерцијално доступна, снажна индустријска опрема за ултразвучно млевење може да обради количине до 10m³/h.

Предности ултразвучног млевења

• Брзо, штеди време
• Штеди енергију
• Поновљиви резултати
• Без тела за млевење (без куглица или перли)
• Ниски инвестициони трошкови

Ултрасоникатори високих перформанси

Ултразвучно млевење захтева ултразвучну опрему велике снаге. Високе амплитуде и притисак кључни су за стварање интензивних кавитационих сила смицања. Индустријски ултразвучни процесори компаније Hielscher Ultrasonics могу да обезбеде веома високе амплитуде. Амплитуде до 200µm могу се лако одржавати непрекидно у раду 24/7. За још више амплитуде доступне су ултразвучне сонотроде израђене по мери. У комбинацији са проточним реакторима компаније Hielscher који могу да раде под притиском ствара се веома интензивна кавитација, тако да се могу раскинути међумолекулске везе и постићи ефикасни ефекти млевења.
Робусност ултразвучне опреме компаније Hielscher омогућава рад 24/7 при великим оптерећењима и у захтевним окружењима. Дигитално и даљинско управљање, као и аутоматско бележење података на уграђену SD картицу, обезбеђују прецизну обраду, поновљив квалитет и омогућавају стандардизацију процеса.

Предности ултрасоникатора високих перформанси компаније Hielscher

• веома високе амплитуде
• високи притисци
• континуиран процес у протоку
• робусна опрема
• линеарно повећање обима
• безбедно и једноставно руковање
• једноставно чишћење