Sonofragmentation - Ảnh hưởng của siêu âm công suất đối với sự vỡ hạt
Sonofragmentation mô tả sự phá vỡ của các hạt thành các mảnh có kích thước nano bằng siêu âm công suất cao. Trái ngược với quá trình khử kết tụ và phay siêu âm thông thường – trong đó các hạt chủ yếu được nghiền và tách ra bởi va chạm giữa các hạt – , sono-fragementation được phân biệt bởi sự tương tác trực tiếp giữa hạt và sóng xung kích. Siêu âm công suất cao / tần số thấp tạo ra sự xâm thực và do đó lực cắt mạnh trong chất lỏng. Các điều kiện khắc nghiệt của sự sụp đổ bong bóng xâm thực và va chạm giữa các hạt nghiền thành vật liệu có kích thước rất mịn.
Sản xuất siêu âm và chuẩn bị các hạt nano
Tác dụng của siêu âm công suất đối với sản xuất vật liệu nano đã được nhiều người biết đến: Phân tán, Giải kết tụ và Phay & Nghiền cũng như phân mảnh bằng cách siêu âm thường là phương pháp hiệu quả duy nhất để điều trị hạt nano. Điều này đặc biệt đúng khi nói đến vật liệu nano rất mịn với các chức năng đặc biệt như với kích thước nano, các đặc tính hạt độc đáo được thể hiện. Để tạo ra vật liệu nano với các chức năng cụ thể, phải đảm bảo một quá trình siêu âm đồng đều và đáng tin cậy. Hielscher cung cấp thiết bị siêu âm từ quy mô phòng thí nghiệm đến quy mô sản xuất thương mại đầy đủ.
MultiSonoReactor MSR-4 là một máy đồng nhất nội tuyến công nghiệp phù hợp với việc phân mảnh và nghiền các hạt và vật liệu nano.
Phân mảnh sono bằng cách xâm thực
Sự đầu vào của lực siêu âm mạnh mẽ vào chất lỏng tạo ra các điều kiện khắc nghiệt. Khi siêu âm truyền môi trường lỏng, sóng siêu âm dẫn đến các chu kỳ nén và hiếm xen kẽ (chu kỳ áp suất cao và áp suất thấp). Trong các chu kỳ áp suất thấp, các bong bóng chân không nhỏ phát sinh trong chất lỏng. Những Cavitation bong bóng phát triển qua nhiều chu kỳ áp suất thấp cho đến khi chúng đạt được kích thước khi chúng không thể hấp thụ nhiều năng lượng hơn. Ở trạng thái năng lượng hấp thụ tối đa và kích thước bong bóng này, bong bóng xâm thực sụp đổ dữ dội và tạo ra các điều kiện khắc nghiệt cục bộ. Do sự nổ tung của Cavitation bong bóng, nhiệt độ rất cao khoảng 5000K và áp suất khoảng 2000atm đạt được cục bộ. Vụ nổ dẫn đến các tia chất lỏng có vận tốc lên đến 280m / s (≈1000km / h). Phân mảnh sono mô tả việc sử dụng các lực mạnh mẽ này để phân mảnh các hạt thành các kích thước nhỏ hơn trong phạm vi sub-micron và nano. Với quá trình siêu âm tiến triển, hình dạng hạt chuyển từ góc sang hình cầu, làm cho các hạt có giá trị hơn. Kết quả của quá trình phân mảnh được biểu thị dưới dạng tốc độ phân mảnh được mô tả như một hàm của nguồn điện đầu vào, thể tích siêu âm và kích thước của các kết tụ.
Kusters et al. (1994) đã điều tra sự phân mảnh hỗ trợ siêu âm của các kết tụ liên quan đến mức tiêu thụ năng lượng của nó. Kết quả của các nhà nghiên cứu "chỉ ra rằng kỹ thuật phân tán siêu âm có thể hiệu quả như các kỹ thuật nghiền thông thường. Thực tiễn công nghiệp phân tán siêu âm (ví dụ: đầu dò lớn hơn, thông lượng liên tục của huyền phù) có thể thay đổi phần nào các kết quả này, nhưng nhìn chung, người ta dự kiến rằng mức tiêu thụ năng lượng cụ thể không phải là lý do cho việc lựa chọn kỹ thuật comminutron này mà là khả năng tạo ra các hạt cực mịn (submicron) của nó. [Kusters và cộng sự. 1994] Đặc biệt đối với các loại bột ăn mòn như Silica hoặc zirconia, năng lượng riêng cần thiết trên một đơn vị khối lượng bột được phát hiện là thấp hơn bằng cách nghiền siêu âm so với các phương pháp nghiền thông thường. Siêu âm ảnh hưởng đến các hạt không chỉ bằng cách xay xát và mài mà còn bằng cách đánh bóng chất rắn. Qua đó, có thể đạt được độ cầu cao của các hạt.
Phân mảnh sono để kết tinh vật liệu nano
"Mặc dù có một chút nghi ngờ rằng va chạm giữa các hạt xảy ra trong bùn tinh thể phân tử được chiếu xạ bằng siêu âm, nhưng chúng không phải là nguồn phân mảnh chủ yếu. Trái ngược với các tinh thể phân tử, các hạt kim loại không bị tổn thương trực tiếp bởi sóng xung kích và chỉ có thể bị ảnh hưởng bởi các va chạm giữa các hạt dữ dội hơn (nhưng hiếm hơn nhiều). Sự thay đổi trong các cơ chế thống trị đối với quá trình siêu âm của bột kim loại so với bùn aspirin làm nổi bật sự khác biệt về tính chất của các hạt kim loại dễ uốn và các tinh thể phân tử dễ vỡ. [Zeiger / Suslick 2011, 14532]
Sonofragmentation của các hạt aspirin [Zeiger / Suslick 2011]
Gopi et al. (2008) đã điều tra việc chế tạo các hạt gốm alumina submicromet có độ tinh khiết cao (chủ yếu trong phạm vi dưới 100 nm) từ nguồn cấp dữ liệu có kích thước micromet (ví dụ: 70-80 μm) bằng cách sử dụng quá âm. Họ quan sát thấy sự thay đổi đáng kể về màu sắc và hình dạng của các hạt gốm alumina do quá trình phân mảnh sono. Các hạt trong phạm vi kích thước micron, submicron và nano có thể dễ dàng thu được bằng cách siêu âm công suất cao. Độ hình cầu của các hạt tăng lên khi thời gian lưu giữ trong trường âm thanh tăng lên.
Phân tán trong chất hoạt động bề mặt
Do sự phá vỡ hạt siêu âm hiệu quả, việc sử dụng chất hoạt động bề mặt là điều cần thiết để ngăn chặn sự kết tụ của các hạt có kích thước dưới micron và nano thu được. Kích thước hạt càng nhỏ thì tỷ lệ đỉnh của diện tích bề mặt càng cao, phải được phủ bằng chất hoạt động bề mặt để giữ cho chúng ở trạng thái huyền phù và tránh sự kết tụ của các hạt (kết tụ). Ưu điểm của siêu âm nằm ở hiệu ứng phân tán: Đồng thời với quá trình mài và phân mảnh, siêu âm phân tán các mảnh hạt đã nghiền bằng chất hoạt động bề mặt để tránh được sự kết tụ của các hạt nano (gần như) hoàn toàn.
Máy đồng nhất siêu âm hiệu quả và đáng tin cậy trong việc phân tán các hạt nano trong nước hoặc dung môi. Hình ảnh cho thấy máy siêu âm phòng thí nghiệm UP100H.
Sản xuất công nghiệp
Để phục vụ thị trường bằng vật liệu nano chất lượng cao thể hiện các chức năng đặc biệt, cần có thiết bị xử lý đáng tin cậy. Máy siêu âm với công suất lên đến 16kW mỗi đơn vị có thể phân cụm cho phép xử lý các luồng khối lượng gần như không giới hạn. Do khả năng mở rộng tuyến tính hoàn toàn của các quy trình siêu âm, các ứng dụng siêu âm có thể được thử nghiệm không rủi ro trong phòng thí nghiệm, được tối ưu hóa trong quy mô để bàn và sau đó được triển khai mà không gặp vấn đề gì trong dây chuyền sản xuất. Vì thiết bị siêu âm không yêu cầu không gian lớn, nó thậm chí có thể được trang bị thêm vào các luồng quy trình hiện có. Hoạt động dễ dàng và có thể được giám sát và chạy thông qua điều khiển từ xa, trong khi việc bảo trì hệ thống siêu âm gần như không thể bỏ qua.
Phân bố kích thước hạt và hình ảnh SEM của hợp kim dựa trên Bi2Te3 trước và sau khi phay siêu âm. một – Phân bố kích thước hạt; b – Hình ảnh SEM trước khi phay siêu âm; c – Hình ảnh SEM sau khi phay siêu âm trong 4 giờ; d – Hình ảnh SEM sau khi phay siêu âm trong 8 giờ.
nguồn: Marquez-Garcia et al. 2015.
Liên hệ với chúng tôi! / Hãy hỏi chúng tôi!
Văn học / Tài liệu tham khảo
- Ambedkar, B. (2012): Ultrasonic Coal-Wash for De-Ashing and De-Sulfurization: Experimental Investigation and Mechanistic Modeling. Springer, 2012.
- Eder, Rafael J. P.; Schrank, Simone; Besenhard, Maximilian O.; Roblegg, Eva; Gruber-Woelfler, Heidrun; Khinast, Johannes G. (2012): Continuous Sonocrystallization of Acetylsalicylic Acid (ASA): Control of Crystal Size. Crystal Growth & Design 12/10, 2012. 4733-4738.
- Gopi, K. R.; Nagarajan, R. (2008): Advances in Nanoalumina Ceramic Particle Fabrication Using Sonofragmentation. IEEE Transactions on Nanotechnology 7/5, 2008. 532-537.
- Kusters, Karl; Pratsinis, Sotiris E.; Thoma, Steven G.; Smith, Douglas M. (1994): Energy-size reduction laws for ultrasonic fragmentation. Powder Technology 80, 1994. 253-263.
- Zeiger, Brad W.; Suslick, Kenneth S. (2011): Sonofragementation of Molecular Crystals. Journal of the American Chemical Society. 2011.
Máy siêu âm hiệu suất cao UIP2000hdT (2kW, 20kHz) để trộn hiệu quả, đồng nhất, phân tán nano và sonofragmentation các hạt.
Hielscher Ultrasonics sản xuất homogenizers siêu âm hiệu suất cao cho các ứng dụng trộn, phân tán, nhũ tương hóa và khai thác trên phòng thí nghiệm, thí điểm và quy mô công nghiệp.
Hielscher Ultrasonics sản xuất homogenizers siêu âm hiệu suất cao từ phòng thí nghiệm đến quy mô công nghiệp.