Ultraljudsmalning av termoelektriska nanopulver

• Forskning har visat att ultraljudsmalning framgångsrikt kan användas för framställning av termoelektriska nanopartiklar och har potential att modifiera partiklarnas ytor.
• Ultraljudsmalda partiklar (t.ex. Bi₂Te₃-baserad legering) uppvisade en betydande storleksminskning och gav nanopartiklar med en storlek under 10µm.
• Dessutom ger ultraljudsbehandling betydande förändringar i partiklarnas ytmorfologi och gör det därmed möjligt att funktionalisera ytan hos mikro- och nanopartiklar.

Termoelektriska nanopartiklar

Termoelektriska material omvandlar värmeenergi till elektrisk energi med hjälp av Seebeck- och Peltiereffekterna. Därmed blir det möjligt att effektivt använda värmeenergi som är svår att utnyttja eller nästan går förlorad i produktiva tillämpningar. Eftersom termoelektriska material kan ingå i nya tillämpningar såsom biotermiska batterier, termoelektrisk kylning i fast tillstånd, optoelektroniska enheter samt elproduktion i rymden och i fordon, söker forskningen och industrin efter enkla och snabba tekniker för att framställa miljövänliga, ekonomiska och högtemperaturstabila termoelektriska nanopartiklar. Ultraljudsmalning samt bottom-up-syntes (sonokristallisation) är två lovande vägar till snabb massproduktion av termoelektriska nanomaterial.

Utrustning för ultraljudsmalning

För att minska partikelstorleken hos pulver av vismuttellurid (Bi₂Te₃), magnesiumsilicid (Mg₂Si) och kisel (Si) användes det högintensiva ultraljudssystemet UIP1000hdT (1kW, 20kHz) i en uppställning med en öppen bägare. För samtliga försök ställdes amplituden in på 140µm. Provkärlet kyls i ett vattenbad och temperaturen kontrolleras med ett termoelement. Eftersom ultraljudsbehandlingen utfördes i ett öppet kärl användes kylning för att förhindra att malningsvätskorna (t.ex. etanol, butanol eller vatten) avdunstade.

(a) Schematiskt diagram över försöksuppställningen. (b) Utrustning för ultraljudsmalning. källa: Marquez-Garcia et al. 2015.

Ultraljudsmalning under endast 4h av Bi₂Te₃-legering gav redan en avsevärd mängd nanopartiklar med storlekar mellan 150 och 400 nm. Förutom storleksminskningen till nanoområdet ledde ultraljudsbehandlingen också till en förändring av ytmorfologin. SEM-bilderna b, c och d i figuren nedan visar att partiklarnas skarpa kanter före ultraljudsmalningen har blivit släta och runda efter ultraljudsmalningen.

Partikelstorleksfördelning och SEM-bilder av Bi2Te3-baserad legering före och efter ultraljudsmalning. a – Partikelstorleksfördelning; b – SEM-bild före ultraljudsmalning; c – SEM-bild efter ultraljudsmalning i 4 h; d – SEM-bild efter ultraljudsmalning i 8 h.
källa: Marquez-Garcia et al. 2015.

För att avgöra om partikelstorleksminskning och ytmodifiering endast uppnås genom ultraljudsmalning genomfördes liknande försök med en högenergikulkvarn. Resultaten visas i fig. 3. Det framgår att partiklar på 200–800 nm framställdes genom kulmalning i 48 h (12 gånger längre än ultraljudsmalning). SEM visar att de skarpa kanterna hos partiklarna av Bi₂Te₃-legering förblir i huvudsak oförändrade efter malningen. Dessa resultat tyder på att de släta kanterna är unika kännetecken för ultraljudsmalning. Även tidsbesparingen vid ultraljudsmalning (4 h jämfört med 48 h kulmalning) är anmärkningsvärd.

Partikelstorleksfördelning och SEM-bilder av Mg2Si före och efter ultraljudsmalning. (a) Partikelstorleksfördelning; (b) SEM-bild före ultraljudsmalning; (c) SEM-bild efter ultraljudsmalning i 50% PVP–50% EtOH i 2 h.
källa: Marquez-Garcia et al. 2015.

Marquez-Garcia et al. (2015) drar slutsatsen att ultraljudsmalning kan finfördela pulver av Bi₂Te₃ och Mg₂Si till mindre partiklar med storlekar från 40 till 400 nm, vilket tyder på att tekniken kan vara ett alternativ för industriell produktion av nanopartiklar. Jämfört med högenergikulmalning har ultraljudsmalning två unika kännetecken:

1. 1. förekomsten av ett gap i partikelstorleksfördelningen som skiljer de ursprungliga partiklarna från dem som framställs genom ultraljudsmalning; och
2. 2. betydande förändringar i ytmorfologin är tydliga efter ultraljudsmalning, vilket visar att det är möjligt att modifiera partiklarnas ytor.

Slutsats

Ultraljudsmalning av hårdare partiklar kräver ultraljudsbehandling under tryck för att generera intensiv kavitation. Ultraljudsbehandling vid förhöjt tryck (så kallad manosonikering) ökar skjuvkrafterna och belastningen på partiklarna drastiskt.
En kontinuerlig uppställning för ultraljudsbehandling i ett genomflödessystem möjliggör en högre partikelhalt (pastaliknande slurry), vilket förbättrar malningsresultaten eftersom ultraljudsmalning bygger på kollisioner mellan partiklar.
Ultraljudsbehandling i en uppställning med separat recirkulation gör det möjligt att säkerställa en homogen behandling av samtliga partiklar och därmed en mycket snäv partikelstorleksfördelning.

En stor fördel med ultraljudsmalning är att tekniken enkelt kan skalas upp för produktion av stora mängder – kommersiellt tillgänglig, kraftfull industriell ultraljudsmalning kan hantera mängder på upp till 10m³/h.

Fördelar med ultraljudsmalning

• Snabb, tidsbesparande
• Energibesparande
• Reproducerbara resultat
• Inga malkroppar (inga kulor eller pärlor)
• Låg investeringskostnad

Högpresterande ultraljudsapparater

Ultraljudsmalning kräver ultraljudsutrustning med hög effekt. Höga amplituder och högt tryck är avgörande för att generera intensiva skjuvkrafter genom kavitation. Hielscher Ultrasonics industriella ultraljudsprocessorer kan leverera mycket höga amplituder. Amplituder på upp till 200µm kan enkelt upprätthållas kontinuerligt vid drift dygnet runt, alla dagar i veckan. För ännu högre amplituder finns kundanpassade ultraljudssonotroder. I kombination med Hielschers trycksättningsbara flödesreaktorer skapas mycket intensiv kavitation så att intermolekylära bindningar kan övervinnas och effektiv malning uppnås.
Hielschers robusta ultraljudsutrustning möjliggör drift dygnet runt, alla dagar i veckan, vid hög belastning och i krävande miljöer. Digital styrning och fjärrstyrning samt automatisk dataregistrering på ett inbyggt SD-kort säkerställer exakt bearbetning och reproducerbar kvalitet samt möjliggör standardisering av processen.

Fördelar med Hielschers högpresterande ultraljudsapparater

• mycket höga amplituder
• höga tryck
• kontinuerlig process i ett genomflödessystem
• robust utrustning
• linjär uppskalning
• säkra och enkla att använda
• enkla att rengöra