Sonotortasyonasyon – Güç Ultrasonunun Parçacık Kırılması Üzerindeki Etkisi

Sonotortmantasyon, parçacıkların yüksek güçlü ultrason ile nano boyutlu parçalara ayrılmasını tanımlar. Yaygın ultrasonik deagglomeration ve frezelemenin aksine – parçacıkların esas olarak öğütüldüğü ve parçacıklar arası çarpışma ile ayrıldığı yer – , sono-fragementasyon, parçacık ve şok dalgası arasındaki doğrudan etkileşim ile ayırt edilir. Yüksek güçlü / düşük frekanslı ultrason, sıvılarda kavitasyon ve dolayısıyla yoğun kesme kuvvetleri oluşturur. Kavitasyonel kabarcık çöküşünün ve türler arası çarpışmanın aşırı koşulları, parçacıkları çok ince boyutlu malzemeye öğütür.

Ultrasonik Üretim ve Nano Partiküllerin Hazırlanması

Nano malzemelerin üretimi için güç ultrasonunun etkileri iyi bilinmektedir: Dispersiyon, Deagglomeration ve Frezeleme & Taşlama ve sonikasyon ile parçalanma genellikle tedavi etmek için tek etkili yöntemdir nano parçacıklar. Bu, özellikle nano boyutta benzersiz parçacık özelliklerinin ifade edildiği gibi özel işlevlere sahip çok ince nano malzemeler söz konusu olduğunda geçerlidir. Belirli işlevlere sahip nano malzeme oluşturmak için, eşit ve güvenilir bir sonikasyon işlemi sağlanmalıdır. Hielscher, laboratuvar ölçeğinden tam ticari üretim boyutuna kadar ultrasonik ekipman tedarik etmektedir.

Kavitasyon ile Sono-parçalanma

Güçlü ultrasonik kuvvetlerin sıvılara girişi aşırı koşullar yaratır. Ultrason sıvı bir ortamı yaydığında, ultrasonik dalgalar alternatif sıkıştırma ve seyrekleşme döngülerine (yüksek basınç ve düşük basınç döngüleri) neden olur. Düşük basınç döngüleri sırasında, sıvıda küçük vakum kabarcıkları ortaya çıkar. Bunlar Kavitasyon Kabarcıklar, daha fazla enerji ememeyecekleri bir boyuta ulaşana kadar birkaç düşük basınç döngüsünde büyürler. Bu maksimum emilen enerji ve kabarcık boyutu durumunda, kavitasyon kabarcığı şiddetli bir şekilde çöker ve yerel olarak aşırı koşullar yaratır. patlaması nedeniyle Kavitasyon kabarcıklar, yaklaşık 5000K'lık çok yüksek sıcaklıklara ve yaklaşık 2000atm'lik basınçlara yerel olarak ulaşılır. Patlama, 280m/s (≈1000km/s) hıza kadar sıvı jetleri ile sonuçlanır. Sono-parçalanma, parçacıkları mikron altı ve nano aralıkta daha küçük boyutlara parçalamak için bu yoğun kuvvetlerin kullanılmasını tanımlar. İlerleyen bir sonikasyon ile, parçacık şekli açısaldan küreye döner, bu da parçacıkları daha değerli kılar. Sonotormantasyonun sonuçları, güç girişinin, sonikasyonlu hacmin ve aglomeraların boyutunun bir fonksiyonu olarak tanımlanan parçalanma oranı olarak ifade edilir.
Kusters ve ark. (1994), enerji tüketimi ile ilgili olarak aglomeraların ultrasonik destekli parçalanmasını araştırdı. Araştırmacıların sonuçları "ultrasonik dispersiyon tekniğinin geleneksel öğütme teknikleri kadar verimli olabileceğini gösteriyor. Ultrasonik dispersiyonun endüstriyel uygulaması (örneğin, daha büyük problar, sürekli süspansiyon verimi) bu sonuçları biraz değiştirebilir, ancak genel olarak, bu kominutron tekniğinin seçilmesinin nedeninin spesifik enerji tüketimi değil, son derece ince (mikron altı) parçacıklar üretme kabiliyeti olması beklenmektedir. [Kusters ve ark. 1994] Özellikle aşağıdakiler gibi aşındırıcı tozlar için Silis veya zirkonya, birim toz kütlesi başına gereken spesifik enerjinin, ultrasonik taşlama ile geleneksel öğütme yöntemlerine göre daha düşük olduğu bulunmuştur. Ultrasonication parçacıkları sadece öğütme ve öğütme ile değil, aynı zamanda katıları parlatarak da etkiler. Böylece, parçacıkların yüksek bir küreselliği elde edilebilir.

Nanomalzemelerin Kristalizasyonu için Sono-parçalanma

"Parçacıklar arası çarpışmaların, ultrason ile ışınlanmış moleküler kristallerin bulamaçlarında meydana geldiğine dair çok az şüphe olsa da, bunlar parçalanmanın baskın kaynağı değildir. Moleküler kristallerin aksine, metal parçacıklar doğrudan şok dalgalarından zarar görmezler ve yalnızca daha yoğun (ancak çok daha nadir) parçacıklar arası çarpışmalardan etkilenebilirler. Metal tozlarının aspirin bulamaçlarına karşı sonikasyonu için baskın mekanizmalardaki değişim, dövülebilir metalik parçacıkların ve gevrek moleküler kristallerin özelliklerindeki farklılıkları vurgulamaktadır. [Zeiger/ Suslick 2011, 14532]

Aspirin partiküllerinin sonofragmantasyonu [Zeiger/ Suslick 2011]

Gopi ve ark. (2008), sonofragmantasyon kullanarak mikrometre boyutlu beslemeden (örneğin, 70-80 μm) yüksek saflıkta submikrometre alümina seramik parçacıklarının (ağırlıklı olarak 100 nm altı aralıkta) imalatını araştırdı. Sono-parçalanmanın bir sonucu olarak alümina seramik parçacıklarının renginde ve şeklinde önemli bir değişiklik gözlemlediler. Mikron, mikron altı ve nano boyutlu aralıktaki parçacıklar, yüksek güçlü sonikasyon ile kolayca elde edilebilir. Parçacıkların küreselliği, akustik alanda artan tutma süresi ile artmıştır.

Yüzey Aktif Maddede Dispersiyon

Etkili ultrasonik parçacık kırılması nedeniyle, elde edilen mikron altı ve nano boyutlu parçacıkların deagglomerasyonunu önlemek için yüzey aktif maddelerin kullanılması esastır. Partikül boyutu ne kadar küçük olursa, yüzey alanının apect oranı o kadar yüksek olur, bu da onları süspansiyon halinde tutmak ve partiküllerin pıhtılaşmasını (aglomerasyon) önlemek için yüzey aktif madde ile kaplanmalıdır. Ultrasonication'ın avantajı dispersiyon etkisinde yatmaktadır: Öğütme ve parçalanmaya eş zamanlı olarak, ultrasonlar öğütülmüş parçacık parçalarını yüzey aktif madde ile dağıttı, böylece nano parçacıkların aglomerasyonu (neredeyse) tamamen önlendi.

Endüstriyel üretim

Olağanüstü işlevsellik ifade eden yüksek kaliteli nano malzeme ile pazara hizmet etmek için güvenilir işleme ekipmanı gereklidir. Kümelenebilir birim başına 16kW'a kadar ultrasonikatörler, neredeyse sınırsız hacim akışlarının işlenmesine izin verir. Ultrasonik işlemlerin tamamen doğrusal ölçeklenebilirliği nedeniyle, ultrasonik uygulamalar laboratuvarda risksiz olarak test edilebilir, tezgah üstü ölçekte optimize edilebilir ve daha sonra üretim hattına sorunsuz bir şekilde uygulanabilir. Ultrasonik ekipman geniş bir alan gerektirmediğinden, mevcut proses akışlarına bile uyarlanabilir. İşlem kolaydır ve uzaktan kumanda ile izlenebilir ve çalıştırılabilirken, ultrasonik bir sistemin bakımı neredeyse ihmal edilebilir.

Ultrasonik frezeleme öncesi ve sonrası Bi2Te3 bazlı alaşımın parçacık boyutu dağılımı ve SEM görüntüleri. a – Parçacık boyutu dağılımı; b – Ultrasonik frezeleme öncesi SEM görüntüsü; c – 4 saat boyunca ultrasonik frezeleme sonrası SEM görüntüsü; d – 8 saat boyunca ultrasonik frezelemeden sonra SEM görüntüsü.
kaynak: Marquez-Garcia ve ark. 2015.

Literatür / Referanslar