Sonofragmentation mô tả sự đứt gãy của các hạt thành các mảnh có kích thước nano bằng siêu âm công suất cao. Ngược lại với các siêu âm phổ biến deagglomeration và phay – nơi các hạt chủ yếu được nghiền và ngăn cách bởi va chạm giữa các hạt – , Sono-fragementation được phân biệt bởi sự tương tác trực tiếp giữa hạt và sóng sốc. Công suất cao/siêu âm tần số thấp tạo ra cavitation và do đó lực cắt mạnh mẽ trong chất lỏng. Các điều kiện khắc nghiệt của cavitational bong bóng sụp đổ và va chạm bất đặc biệt xay hạt để vật liệu kích thước rất tốt.

Sản xuất và chuẩn bị siêu âm hạt nano

Ảnh hưởng của siêu âm điện để sản xuất vật liệu nano nổi tiếng: phân tán, Deagglomeration và phay & Mài cũng như phân mảnh bởi sonication thường là phương pháp hiệu quả chỉ để điều trị hạt nano. Điều này đặc biệt đúng khi nói đến các vật liệu nano rất tốt với funcionalities especial như với các đặc tính hạt nano kích thước duy nhất được thể hiện. Để tạo ra vật liệu nano với các chức năng cụ thể, phải đảm bảo quá trình sonication thậm chí và đáng tin cậy. Hielscher cung cấp thiết bị siêu âm từ quy mô phòng thí nghiệm đến kích thước sản xuất thương mại đầy đủ.

Sono-phân mảnh bởi cavitation

Đầu vào của lực siêu âm mạnh mẽ thành chất lỏng tạo ra điều kiện khắc nghiệt. Khi siêu âm Lan truyền một môi trường lỏng, sóng siêu âm dẫn đến các chu kỳ nén và suất xen kẽ (áp suất cao và chu kỳ áp suất thấp). Trong chu kỳ áp suất thấp, bong bóng chân không nhỏ phát sinh trong chất lỏng. Những Cavitation bong bóng phát triển trên một số chu kỳ áp suất thấp cho đến khi họ đạt được một kích thước khi họ không thể hấp thụ nhiều năng lượng. Ở trạng thái năng lượng hấp thụ tối đa và kích thước bong bóng, bong bóng cavitation sụp đổ dữ dội và tạo ra điều kiện khắc nghiệt tại địa phương. Do sự nổ của Cavitation bong bóng, nhiệt độ rất cao xấp xỉ 5000K và áp lực khoảng 2000atm đạt được tại địa phương. Kết quả nổ trong máy bay phản lực chất lỏng lên đến 280m/s (≈ 1000km/h) vận tốc. Sono phân mảnh mô tả việc sử dụng các lực lượng mạnh mẽ để mảnh hạt để kích thước nhỏ hơn trong Sub-micron và phạm vi nano. Với một sonication tiến triển, hình dạng hạt biến từ góc đến cầu, làm cho các hạt có giá trị hơn. Các kết quả của sonofragmentation được thể hiện như là tỷ lệ phân mảnh được decribed như là một chức năng đầu vào nguồn điện, sonicated khối lượng và kích thước của các agglomerates.
Kusters et al. (1994) nghiên cứu phân mảnh ultrasonically hỗ trợ của agglomerates liên quan đến 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 kỹ thuật mài thông thường. Các thực hành công nghiệp phân tán siêu âm (ví dụ như đầu dò lớn hơn, thông qua liên tục đình chỉ) có thể thay đổi các kết quả này một chút, nhưng hơn-tất cả những gì dự kiến sẽ tiêu thụ năng lượng cụ thể không phải là lý do cho việc lựa chọn các comminutron này kỹ thuật mà là khả năng sản xuất các hạt cực kỳ tốt (submicron). " [Kusters et al. 1994] Đặc biệt đối với các loại bột ăn mòn như silica hoặc zirconia, năng lượng cụ thể yêu cầu cho mỗi đơn vị khối lượng bột đã được tìm thấy là thấp hơn bằng cách nghiền siêu âm hơn so với phương pháp nghiền thông thường. Ultrasonication ảnh hưởng đến các hạt không chỉ bằng cách phay và mài, mà còn bằng cách đánh bóng các chất rắn. Qua đó, có thể đạt được một sphericity cao của các hạt.

Sono phân mảnh cho sự kết tinh của vật liệu nano

"Trong khi có rất ít nghi ngờ rằng các va chạm giữa các hạt xảy ra trong các slurries của các tinh thể phân tử được chiếu xạ bằng siêu âm, chúng không phải là nguồn chi phối của mảnh. Ngược lại với các tinh thể phân tử, các hạt kim loại không bị tổn thương bởi sóng xung đột trực tiếp 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 cơ chế chi phối cho sonication bột kim loại so với aspirin slurries làm nổi bật sự khác biệt trong các thuộc tính của các hạt kim loại dễ uốn và tinh thể phân tử vụn. [Zeiger/Suslick 2011, 14532]

Sonofragmentation của các hạt aspirin [Zeiger/Suslick 2011]

Gopi et al. (2008) đã nghiên cứu việc chế tạo các hạt gốm alumina có độ tinh khiết cao (chủ yếu ở dải Sub-100 nm) từ thức ăn có kích thước micromet (ví dụ, 70-80 μm) sử dụng sonofragmentation. Họ quan sát thấy một sự thay đổi đáng kể về màu và hình dạng của các hạt gốm alumina như là kết quả của sự phân mảnh Sono. Các hạt trong micron, submicron và Nano có kích thước phạm vi có thể dễ dàng thu được bằng sonication công suất cao. Các sphericity của các hạt tăng lên với thời gian lưu giữ ngày càng tăng trong lĩnh vực âm thanh.

Phân tán trong surfactant

Do sự vỡ hạt siêu âm hiệu quả, việc sử dụng các chất hoạt động bề mặt là rất cần thiết để ngăn chặn sự deagglomeration của Sub-micron và Nano có kích thước hạt thu được. Kích thước hạt nhỏ hơn, tỷ lệ apect cao hơn của diện tích bề mặt, mà phải được bao phủ bởi bề mặt để giữ chúng trong hệ thống treo và để tránh coagualation của các hạt (agglomeration). Ưu điểm của ultrasonication đẻ trong tác dụng phân tán: đồng thời để nghiền và phân mảnh, siêu âm phân tán các mảnh hạt nghiền với bề mặt để kết tụ của các hạt nano là (gần như) hoàn toàn Tránh.

Sản xuất công nghiệp

Để phục vụ thị trường với vật liệu nano chất lượng cao bày tỏ các chức năng phi thường, yêu cầu thiết bị xử lý đáng tin cậy. Ultrasonicators với lên đến 16kW cho mỗi đơn vị đó là clusterizable cho phép pháo đài ông xử lý hầu như không giới hạn khối lượng dòng. Do sự scaleability đầy đủ tuyến tính của quá trình siêu âm, các ứng dụng siêu âm có thể được kiểm tra không có rủi ro trong phòng thí nghiệm, tối ưu hóa ở quy mô băng ghế dự bị và sau đó thực hiện mà không có vấn đề vào dây chuyền sản xuất. Khi thiết bị siêu âm không đòi hỏi một không gian rộng lớn, nó thậm chí có thể được thêm vào các dòng quy trình hiện có. Các hoạt động rất dễ dàng và có thể được theo dõi và chạy qua điều khiển từ xa, trong khi bảo trì của một hệ thống siêu âm gần như là bỏ bê.

Phân phối kích thước hạt và hình ảnh SEM của hợp kim Bi2Te3 dựa trên trước và sau khi phay siêu âm. A – Phân bố kích thước hạt; B – SEM hình ảnh trước khi phay siêu âm; C – Hình ảnh SEM sau khi siêu âm phay cho 4 h; D – SEM hình ảnh sau khi phay siêu âm cho 8 h.
Nguồn: Marquez-Garcia et al. 2015.

Văn học/tài liệu tham khảo