چه نوع ماشینی می تواند پودر دی اکسید سیلیسیم را پراکنده کند؟

چه نوع ماشینی می تواند پودر دی اکسید سیلیکون را پراکنده کند؟

با توجه به انرژی سطح بالا، پودر دی اکسید تیتانیوم (TiO₂) به راحتی از طریق نیروهای واندروالسی و پیوندهای هیدروژنی (به ویژه TiO₂ در مقیاس نانو) توده های پایداری را تشکیل می دهد. استفاده مستقیم می تواند خواص نوری، کاتالیزوری و پنهان سازی آن را کاهش دهد و نیاز به پراکندگی کارآمد از طریق روش های علمی دارد. موارد زیر به طور سیستماتیک راه حل های پراکندگی پودر دی اکسید تیتانیوم را از چهار منظر معرفی می کند: اصول پراکندگی اصلی، روش های پراکندگی خاص (از جمله جزئیات عملیاتی)، عوامل کلیدی تأثیرگذار و انطباق با سناریوی کاربردی.

1. اصول پراکندگی اصلی
ماهیت پراکندگی دی اکسید تیتانیوم «شکستن توده ها برای تثبیت ذرات پراکنده» است که نیاز به راه حل های همزمان برای دو موضوع کلیدی دارد:

اختلال در ساختار تجمع: از روش های فیزیکی یا شیمیایی برای غلبه بر جاذبه های بین ذرات (نیروهای واندروالسی، پیوندهای هیدروژنی و جاذبه الکترواستاتیک) برای جدا کردن توده های میکرون/نانو مقیاس به ذرات اولیه استفاده می شود.

سرکوب تجمع ثانویه: اصلاح سطح یا افزودن مواد پراکنده کننده یک «مانع فضایی» یا «لایه دافعه الکترواستاتیک» روی سطح ذرات اولیه ایجاد می کند و از جذب مجدد و تجمع ذرات پراکنده جلوگیری می کند.

آیا می دانید چه نوع ماشینی می تواند پودر دی اکسید سیلیکون را پراکنده کند؟

پراکندگی اولتراسونیک یک فرآیند فیزیکی است که از انرژی امواج صوتی با فرکانس بالا (معمولاً در محدوده فرکانس 20 کیلوهرتز تا 100 کیلوهرتز، فراتر از محدوده شنوایی انسان) برای شکستن توده های مواد و دستیابی به پراکندگی یکنواخت ذرات یا مولکول ها استفاده می کند. اصل اصلی «اثر کاویتاسیون» است که توسط امواج صوتی در یک محیط مایع ایجاد می شود. این انرژی به ماده پراکنده منتقل می شود و نیروهایی را که توده ها را به هم متصل می کنند (مانند نیروهای واندروالسی و پیوندهای هیدروژنی) می شکند و در نهایت یک پراکندگی پایدار و یکنواخت را تشکیل می دهد.

1. اصل اصلی: اثر کاویتاسیون
ماهیت پراکندگی اولتراسونیک، استفاده از «اثر کاویتاسیون» است، فرآیندی که می تواند به سه مرحله تقسیم شود و نیروی محرکه اصلی پراکندگی است:

تشکیل حباب کاویتاسیون: هنگامی که امواج صوتی با فرکانس بالا از یک مایع عبور می کنند، به طور دوره ای «مناطق فشرده سازی» و «مناطق رقیق سازی» تولید می کنند. در ناحیه رقیق سازی (جایی که فشار ناگهان کاهش می یابد)، حباب های ریز (یا گازهای محلول) در مایع به سرعت منبسط می شوند و «حباب های کاویتاسیون» نامرئی را تشکیل می دهند.

فروپاشی حباب کاویتاسیون: هنگامی که امواج صوتی به ناحیه فشرده سازی (جایی که فشار ناگهان افزایش می یابد) می رسند، حباب های کاویتاسیون در حال انبساط در یک زمان بسیار کوتاه (به ترتیب میکروثانیه) به شدت فرو می ریزند و دماهای موضعی بالا (تا 5000 کلوین)، فشارهای بالا (تا 1000 اتمسفر) و جت های ریز شدید (با سرعت جریان تا 100 متر بر ثانیه) تولید می کنند.

پراکندگی: جت های ریز حباب های کاویتاسیون در حال فروپاشی، نیروی ضربه و برشی قوی را بر روی ذرات متراکم اطراف اعمال می کنند و مستقیماً ساختار تجمع بین ذرات را می شکنند. علاوه بر این، محیط با دمای بالا و فشار بالا، نیروهای بین مولکولی را تضعیف می کند و به دستیابی به پراکندگی یکنواخت در سطح مولکولی کمک می کند. II. عناصر کلیدی پراکندگی اولتراسونیک
برای دستیابی به پراکندگی اولتراسونیک کارآمد، باید چهار عنصر کلیدی زیر کنترل شوند. ترکیب پارامترهای مختلف مستقیماً بر اثر پراکندگی تأثیر می گذارد:

دسته عنصر پارامتر کلیدی تأثیر بر پراکندگی
سیستم اولتراسونیک فرکانس (20 کیلوهرتز تا 100 کیلوهرتز) فرکانس پایین (20-40 کیلوهرتز): انرژی فروپاشی حباب کاویتاسیون قوی تر است، مناسب برای پراکندگی ذرات درشت (به عنوان مثال، ذرات با اندازه میکرون). فرکانس بالا (>40 کیلوهرتز): انرژی بیشتر برای نانوذرات یا سیستم های حساس (به عنوان مثال، مولکول های زیستی) مناسب است.

چگالی توان (W/cm²) توان خیلی کم: در شکستن توده ها بی اثر است. توان خیلی زیاد: ممکن است باعث تجمع ثانویه (گرمای بیش از حد موضعی) یا پاشش متوسط شود. چگالی توان باید با توجه به سیستم پراکندگی تنظیم شود.
ویسکوزیته و کشش سطحی محیط پراکندگی: محیط های با ویسکوزیته کم و کشش سطحی کم (به عنوان مثال، آب و اتانول) مستعد کاویتاسیون هستند و راندمان پراکندگی بالاتری دارند. محیط های با ویسکوزیته بالا (به عنوان مثال، گلیسرول) برای جبران تلفات انرژی به توان بیشتری نیاز دارند. خواص شیمیایی (قطبی/غیر قطبی): محیط باید سازگاری خوبی با فاز پراکنده (به عنوان مثال، ذرات) داشته باشد تا از تجمع مجدد به دلیل دافعه آبگریز-آبدوست جلوگیری شود (ممکن است مواد پراکنده کننده برای کمک اضافه شود).

فاز پراکنده: اندازه/ریخت شناسی ذرات: ذرات با اندازه میکرون و بلوکی به انرژی کاویتاسیون بالاتری نیاز دارند. ذرات کروی با اندازه نانو آسان تر پراکنده می شوند، اما باید توان را کنترل کرد تا از تجمع مجدد و جذب مجدد جلوگیری شود.

تجمع اولیه: هرچه تجمع اولیه شدیدتر باشد (به عنوان مثال، توده های سخت)، زمان پراکندگی طولانی تر یا روش پراکندگی مناسب تر (خرد کردن درشت و به دنبال آن پراکندگی ریز) است.
شرایط عملیاتی: زمان پراکندگی: خیلی کوتاه: پراکندگی ناقص. خیلی طولانی: ممکن است باعث سایش ذرات یا افزایش دمای متوسط شود (نیاز به خنک کننده و کنترل دما دارد).

دما/فشار: دمای بالا پایداری حباب کاویتاسیون را کاهش می دهد (کاهش انرژی فروپاشی). فشارهای بالا تشکیل حباب کاویتاسیون را مهار می کند. عملیات معمولاً در فشار اتمسفر انجام می شود. III. مزایا و محدودیت های پراکندگی اولتراسونیک

1. مزایای اصلی
راندمان پراکندگی بالا: در مقایسه با هم زدن مکانیکی سنتی (که به نیروهای برشی ماکروسکوپی متکی است)، میکروفلوئیدیک اولتراسونیک می تواند بر روی توده های نانومقیاس عمل کند و در نتیجه پراکندگی کامل تر و زمان کوتاه تری (معمولاً چند دقیقه تا ده ها دقیقه) داشته باشد.
کاربرد گسترده سیستم: می توان از آن در سیستم های مایع-جامد (به عنوان مثال، پراکندگی نانوذرات در آب)، مایع-مایع (به عنوان مثال، تهیه امولسیون ها، مانند امولسیون های روغن در آب) و حتی مایع-گاز (به عنوان مثال، تهیه هوای محلول در آب) استفاده کرد.

بدون آلودگی مکانیکی: فرآیند پراکندگی به انرژی صوتی متکی است و نیازی به قطعات چرخشی (به عنوان مثال، همزن ها) ندارد. این امر از آلودگی ناخالصی ناشی از سایش مکانیکی جلوگیری می کند و آن را برای سیستم های با خلوص بالا (به عنوان مثال، مواد نیمه هادی و آماده سازی دارویی) مناسب می کند.

عملیات انعطاف پذیر: تجهیزات را می توان کوچک کرد (نوع پروب آزمایشگاهی) یا صنعتی کرد (نوع ناودانی خط لوله) و پارامترها (فرکانس، توان) را می توان در زمان واقعی تنظیم کرد تا نیازهای سناریوهای مختلف را برآورده کند. 2. محدودیت های اصلی
تلفات انرژی بالا: امواج صوتی با فرکانس بالا به سرعت در محیط های با ویسکوزیته بالا تضعیف می شوند و برای حفظ اثر کاویتاسیون به توان بیشتری نیاز دارند که منجر به مصرف انرژی بالا می شود.

خطر گرمای بیش از حد موضعی: اگر دمای بالای تولید شده توسط فروپاشی حباب های کاویتاسیون نتواند به سرعت دفع شود، ممکن است باعث دناتوره شدن یا تجزیه مواد حساس به حرارت (مانند پروتئین ها و پلیمرها) شود.

هزینه بالای تجهیزات: هزینه های تولید و نگهداری تجهیزات پراکندگی اولتراسونیک درجه صنعتی (مانند دستگاه های اولتراسونیک مخزن با قدرت بالا) بیشتر از تجهیزات اختلاط سنتی است.

انتخاب پذیری ذرات: اثر پراکندگی ممکن است برای ذرات با سختی و چگالی بالا (مانند پودرهای فلزی) محدود شود و استفاده از روش های دیگر (مانند آسیاب گلوله ای همراه با اولتراسونیک) را ضروری می کند. IV. سناریوهای کاربردی معمولی
به دلیل راندمان بالا، بدون آلودگی و عملکرد دقیق، پراکندگی اولتراسونیک به طور گسترده در زمینه های مختلف استفاده می شود:

علم مواد: تهیه مواد نانو (به عنوان مثال، پراکندگی گرافن در رزین ها برای ایجاد کامپوزیت های رسانا، پراکندگی دی اکسید تیتانیوم نانو در پوشش ها برای افزایش خواص ضد باکتریایی).

زیست پزشکی: تهیه دارویی (به عنوان مثال، پراکندگی ذرات دارویی با حلالیت ضعیف در نانوسوسپانسیون ها برای بهبود جذب)، پراکندگی سلولی (تسهیل استخراج پروتئین ها/اسیدهای نوکلئیک داخل سلولی، اساساً «پراکندگی در سطح سلولی»);
پوشش ها و جوهرها: پراکندگی رنگدانه (به عنوان مثال، پراکندگی کربن سیاه و دی اکسید تیتانیوم در رزین ها برای جلوگیری از لایه برداری پوشش و بهبود یکنواختی رنگ);

صنایع غذایی: تهیه امولسیون (به عنوان مثال، پراکندگی خامه در مقیاس نانو در شیر برای افزایش طعم، یا تهیه امولسیون های پروبیوتیک پایدار برای افزایش ماندگاری);
مدیریت محیط زیست: تصفیه فاضلاب (پراکندگی ذرات منعقد کننده در مقیاس نانو برای افزایش سطح تماس با آلاینده ها و افزایش انعقاد);

صنایع الکترونیک: تهیه خمیر نیمه هادی (به عنوان مثال، پراکندگی نانوذرات نقره در حامل های آلی برای خمیر رسانای تراشه برای اطمینان از هدایت یکنواخت). V. انواع تجهیزات رایج

بسته به سناریوی کاربردی، تجهیزات پراکندگی اولتراسونیک در درجه اول به دو دسته تقسیم می شوند:

پراکنده کننده های اولتراسونیک از نوع پروب (غوطه وری): اینها بر اساس یک پروب اولتراسونیک (ساخته شده از آلیاژ تیتانیوم، انتقال امواج صوتی) هستند که مستقیماً در سیستم پراکندگی غوطه ور می شود، انرژی را متمرکز می کند و آنها را برای دسته های نمونه آزمایشگاهی کوچک (به عنوان مثال، 10 میلی لیتر - 1 لیتر) یا سیستم های با ویسکوزیته بالا مناسب می کند.

پراکنده کننده های اولتراسونیک از نوع ناودانی (غیر غوطه وری): مبدل اولتراسونیک بر روی دیواره مخزن واکنش نصب شده و امواج صوتی را از طریق دیواره مخزن به داخل محیط منتقل می کند. این پراکنده کننده ها برای تولید مداوم صنعتی (به عنوان مثال، پردازش خط مونتاژ، با حجم پردازش یکباره تا صدها لیتر) مناسب هستند، عاری از سایش پروب هستند و تمیز کردن آنها آسان است.

به طور خلاصه، پراکندگی اولتراسونیک یک فناوری پراکندگی خوب بر اساس اثر کاویتاسیون است. ارزش اصلی آن در رسیدگی به چالش های تجمع نانو و پراکندگی با خلوص بالا نهفته است که با روش های سنتی رسیدگی به آنها دشوار است. این فرآیند به یک فرآیند کلیدی ضروری در صنایع مواد، داروسازی و مواد غذایی تبدیل شده است.