Sonofragmentation – ผลของอัลตราซาวนด์พลังงานต่อการแตกหักของอนุภาค

Sonofragmentation อธิบายการแตกตัวของอนุภาคเป็นชิ้นส่วนขนาดนาโนโดยอัลตราซาวนด์กําลังสูง ตรงกันข้ามกับการแยกตัวและกัดอัลตราโซนิกทั่วไป – โดยที่อนุภาคส่วนใหญ่ถูกบดและแยกออกจากกันโดยการชนกันระหว่างอนุภาค – , sono-fragementation มีความโดดเด่นด้วยปฏิสัมพันธ์โดยตรงระหว่างอนุภาคและคลื่นกระแทก อัลตราซาวนด์พลังงานสูง? ความถี่ต่ําสร้างโพรงอากาศและด้วยเหตุนี้แรงเฉือนที่รุนแรงในของเหลว สภาวะที่รุนแรงของการยุบตัวของฟองอากาศและการชนกันบดอนุภาคให้เป็นวัสดุขนาดที่ละเอียดมาก

การผลิตอัลตราโซนิกและการเตรียมอนุภาคนาโน

ผลของอัลตราซาวนด์กําลังสําหรับการผลิตวัสดุนาโนเป็นที่รู้จักกันดี: การกระจายตัวการแยกตัวและการกัด & การบดและการแยกส่วนโดยการ sonication มักเป็นวิธีเดียวที่มีประสิทธิภาพในการรักษา อนุภาคนาโน. โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อพูดถึงวัสดุนาโนที่ละเอียดมากพร้อมฟังก์ชันพิเศษเช่นเดียวกับลักษณะอนุภาคที่เป็นเอกลักษณ์ของอนุภาคขนาดนาโน ในการสร้างวัสดุนาโนที่มีฟังก์ชันเฉพาะต้องมั่นใจในกระบวนการ sonication ที่สม่ําเสมอและเชื่อถือได้ Hielscher จัดหาอุปกรณ์อัลตราโซนิกตั้งแต่ขนาดห้องปฏิบัติการไปจนถึงขนาดการผลิตเชิงพาณิชย์เต็มรูปแบบ

Sono-Fragmentation โดย Cavitation

การป้อนแรงอัลตราโซนิกอันทรงพลังลงในของเหลวจะสร้างสภาวะที่รุนแรง เมื่ออัลตราซาวนด์แพร่กระจายตัวกลางที่เป็นของเหลวคลื่นอัลตราโซนิกจะส่งผลให้เกิดการบีบอัดสลับกันและรอบการหายาก (รอบความดันสูงและความดันต่ํา) ในระหว่างรอบความดันต่ํา ฟองสูญญากาศขนาดเล็กจะเกิดขึ้นในของเหลว เหล่านี้ โพรงอากาศ ฟองอากาศเติบโตในรอบความดันต่ําหลายรอบจนกว่าจะมีขนาดเมื่อไม่สามารถดูดซับพลังงานได้มากขึ้น ที่สภาวะของพลังงานที่ดูดซับสูงสุดและขนาดฟองอากาศฟองอากาศจะยุบตัวลงอย่างรุนแรงและสร้างสภาวะที่รุนแรงในท้องถิ่น เนื่องจากการระเบิดของ โพรงอากาศ ฟองอากาศ อุณหภูมิสูงมากประมาณ 5000K และแรงดันประมาณ 2000atm อยู่ในท้องถิ่น การระเบิดส่งผลให้เกิดไอพ่นของเหลวที่มีความเร็วสูงถึง 280 ม./วินาที (≈1000 กม./ชม.) การกระจายตัวของโซโนอธิบายถึงการใช้แรงที่รุนแรงเหล่านี้ในการแยกอนุภาคให้มีขนาดเล็กลงในช่วงย่อยไมครอนและนาโน ด้วยการ sonication ที่ก้าวหน้ารูปร่างของอนุภาคจะเปลี่ยนจากเชิงมุมเป็นทรงกลมซึ่งทําให้อนุภาคมีค่ามากขึ้น ผลลัพธ์ของ sonofragmentation จะแสดงเป็นอัตราการแยกส่วนซึ่งอธิบายว่าเป็นฟังก์ชันของกําลังไฟฟ้าเข้าปริมาตร sonicated และขนาดของการรวมตัวกัน
Kusters et al. (1994) ตรวจสอบการกระจายตัวของการรวมตัวกันด้วยอัลตราโซนิกที่เกี่ยวข้องกับการใช้พลังงาน นักวิจัย’ ผลลัพธ์ "บ่งชี้ว่าเทคนิคการกระจายอัลตราโซนิกสามารถมีประสิทธิภาพเท่ากับเทคนิคการเจียรทั่วไป การปฏิบัติทางอุตสาหกรรมของการกระจายอัลตราโซนิก (เช่นโพรบขนาดใหญ่ปริมาณงานต่อเนื่องของระบบกันสะเทือน) อาจเปลี่ยนแปลงผลลัพธ์เหล่านี้บ้าง แต่โดยรวมแล้วคาดว่าการใช้พลังงานเฉพาะไม่ใช่เหตุผลในการเลือกเทคนิค comminutron นี้ แต่เป็นความสามารถในการผลิตอนุภาคที่ละเอียดมาก (ซับไมครอน)” [Kusters et al. 1994] โดยเฉพาะอย่างยิ่งสําหรับการกัดเซาะผงเช่น ซิลิกา หรือเซอร์โคเนียพลังงานจําเพาะที่ต้องการต่อหน่วยมวลผงพบว่าต่ํากว่าโดยการบดอัลตราโซนิกมากกว่าวิธีการบดทั่วไป อัลตราโซนิกส่งผลต่ออนุภาคไม่เพียง แต่โดยการกัดและการเจียรเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการขัดของแข็งด้วย ด้วยเหตุนี้จึงสามารถบรรลุความเป็นทรงกลมสูงของอนุภาคได้

Sono-fragmentation สําหรับการตกผลึกของวัสดุนาโน

"แม้ว่าจะมีข้อสงสัยเล็กน้อยว่าการชนกันระหว่างอนุภาคจะเกิดขึ้นในสารละลายของผลึกโมเลกุลที่ฉายรังสีด้วยอัลตราซาวนด์ แต่ก็ไม่ใช่แหล่งที่มาของการกระจายตัวที่โดดเด่น ในทางตรงกันข้ามกับผลึกโมเลกุลอนุภาคโลหะจะไม่ได้รับความเสียหายจากคลื่นกระแทกโดยตรงและสามารถได้รับผลกระทบจากการชนกันระหว่างอนุภาคที่รุนแรงกว่า (แต่หายากกว่ามาก) การเปลี่ยนแปลงของกลไกที่โดดเด่นสําหรับการ sonication ของผงโลหะเทียบกับสารละลายแอสไพรินเน้นความแตกต่างในคุณสมบัติของอนุภาคโลหะที่อ่อนตัวได้และผลึกโมเลกุลที่เปราะบาง” [Zeiger / Suslick 2011, 14532]

Sonofragmentation ของอนุภาคแอสไพริน [Zeiger? Suslick 2011]

Gopi et al. (2008) ตรวจสอบการผลิตอนุภาคเซรามิกอลูมินาซับไมโครเมตรที่มีความบริสุทธิ์สูง (ส่วนใหญ่อยู่ในช่วงต่ํากว่า 100 นาโนเมตร) จากฟีดขนาดไมโครเมตร (เช่น 70-80 μm) โดยใช้ sonofragmentation พวกเขาสังเกตเห็นการเปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสําคัญในสีและรูปร่างของอนุภาคเซรามิกอลูมินาอันเป็นผลมาจากการกระจายตัวของโซโน อนุภาคในช่วงขนาดไมครอนซับไมครอนและนาโนสามารถหาได้ง่ายโดยการ sonication กําลังสูง ความเป็นทรงกลมของอนุภาคเพิ่มขึ้นตามเวลาการกักเก็บในสนามอะคูสติกที่เพิ่มขึ้น

การกระจายตัวในสารลดแรงตึงผิว

เนื่องจากการแตกตัวของอนุภาคอัลตราโซนิกที่มีประสิทธิภาพการใช้สารลดแรงตึงผิวจึงเป็นสิ่งสําคัญในการป้องกันการแยกตัวของอนุภาคขนาดย่อยและนาโนที่ได้รับ ยิ่งขนาดอนุภาคมีขนาดเล็กเท่าใดอัตราส่วนของพื้นที่ผิวก็จะยิ่งสูงขึ้นซึ่งต้องหุ้มด้วยสารลดแรงตึงผิวเพื่อให้อยู่ในสารแขวนลอยและเพื่อหลีกเลี่ยงอนุภาค’ การร่วมงาน (การรวมตัวกัน) ข้อดีของอัลตราโซนิกอยู่ในผลการกระจายตัว: พร้อมกับการบดและการกระจายตัวอัลตราซาวนด์จะกระจายชิ้นส่วนอนุภาคที่บดด้วยสารลดแรงตึงผิวเพื่อให้หลีกเลี่ยงการจับตัวเป็นก้อนของอนุภาคนาโน (เกือบ) อย่างสมบูรณ์

การผลิตภาคอุตสาหกรรม

เพื่อให้บริการตลาดด้วยวัสดุนาโนคุณภาพสูงที่แสดงถึงฟังก์ชันการทํางานที่ไม่ธรรมดาจําเป็นต้องมีอุปกรณ์การประมวลผลที่เชื่อถือได้ เครื่องอัลตราโซนิกที่มีความเร็วสูงถึง 16kW ต่อหน่วยซึ่งสามารถคลัสเตอร์ได้ช่วยให้สามารถประมวลผลสตรีมปริมาณแทบไม่ จํากัด เนื่องจากความสามารถในการปรับขนาดเชิงเส้นอย่างเต็มที่ของกระบวนการอัลตราโซนิกการใช้งานอัลตราโซนิกจึงสามารถทดสอบได้โดยปราศจากความเสี่ยงในห้องปฏิบัติการปรับให้เหมาะสมในเครื่องชั่งแบบตั้งโต๊ะแล้วนําไปใช้โดยไม่มีปัญหาในสายการผลิต เนื่องจากอุปกรณ์อัลตราโซนิกไม่ต้องการพื้นที่ขนาดใหญ่จึงสามารถติดตั้งเพิ่มเติมในกระแสกระบวนการที่มีอยู่ได้ การดําเนินการนั้นง่ายและสามารถตรวจสอบและเรียกใช้ผ่านรีโมทคอนโทรลในขณะที่การบํารุงรักษาระบบอัลตราโซนิกแทบจะละเลยได้

การกระจายขนาดอนุภาคและภาพ SEM ของโลหะผสมที่ใช้ Bi2Te3 ก่อนและหลังการกัดอัลตราโซนิก a – การกระจายขนาดอนุภาค b – ภาพ SEM ก่อนการกัดอัลตราโซนิก c – ภาพ SEM หลังจากกัดอัลตราโซนิกเป็นเวลา 4 ชั่วโมง d – ภาพ SEM หลังจากการกัดอัลตราโซนิกเป็นเวลา 8 ชั่วโมงที่มา: Marquez-Garcia et al. 2015.

วรรณกรรม? อ้างอิง