ما نوع الآلة التي يمكنها تشتيت مسحوق ثاني أكسيد السيليكون؟

أي نوع من الأجهزة يمكنها أن تفرق مسحوق ثاني أكسيد السيليكون؟

بسبب طاقة سطحها العالية، يُشكل مسحوق ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO2) بسهولة تجمعات مستقرة من خلال قوى فان دير فال والروابط الهيدروجينية (وخاصة TiO2 ذات الحجم النانوي).الاستخدام المباشر يمكن أن يقلل من بصريخاصيات تحفيزية وخفية، مما يتطلب التشتت الفعال من خلال الأساليب العلمية.يقدم ما يلي بشكل منهجي محلولات تشتيت ثاني أكسيد التيتانيوم من أربع وجهات نظر: مبادئ التشتت الأساسية، وأساليب التشتت المحددة (بما في ذلك التفاصيل التشغيلية) ، والعوامل الرئيسية المؤثرة، وتكييف سيناريو التطبيق.

1مبادئ التشتت الأساسية
جوهر تشتت ثاني أكسيد التيتانيوم هو "تفكيك الجمعيات لتحقيق الاستقرار في الجسيمات المنتشرة"، والتي تتطلب حلول متزامنة لمشاكل رئيسية:

اضطراب هيكل التجمعات: يتم استخدام طرق فيزيائية أو كيميائية للتغلب على الجاذبية بين الجسيمات (قوى فان دير فال، روابط الهيدروجين،والجاذبية الكهربائية) لتفكيك مجموعات ميكرون / نانو إلى جسيمات أساسية.

قمع التجميع الثانوي: يخلق تعديل السطح أو إضافة المنثرات "حاجزًا مستريًا" أو "طبقة طرد كهربائي" على سطح الجسيمات الأولية.منع الجزيئات المنتشرة من إعادة الامتصاص والتجميع.

هل تعرف أي نوع من الآلات يمكنها أن تفرق مسحوق ثاني أكسيد السيليكون؟

التشتت بالموجات فوق الصوتية هي عملية فيزيائية تستخدم طاقة موجات الصوت عالية التردد (عادة في نطاق تردد 20kHz-100kHz ،خارج نطاق السمع البشري) لتفكيك تجمعات المواد وتحقيق تشتت موحد للجسيمات أو الجزيئاتالمبدأ الأساسي هو "تأثير التجويف" الناتج عن موجات الصوت في الوسيط السائل. يتم نقل هذه الطاقة إلى المادة المنبثقة،تحطيم القوى التي تربط الجمعيات (مثل قوى فان دير والز وروابط الهيدروجين)، في نهاية المطاف تشكيل تشتت مستقرة ومتساوية.

1المبدأ الأساسي: تأثير التجويف
جوهر التشتت بالموجات فوق الصوتية هو تطبيق "تأثير التجويف"، وهي عملية يمكن تقسيمها إلى ثلاث مراحل وهي القوة الدافعة الأساسية للتشتت:

تشكيل فقاعات التجويف: عندما تنتشر موجات الصوت عالية التردد من خلال السائل، فإنها تنتج بشكل دوري "مناطق الضغط" و "مناطق التقلص"." في منطقة التقلص (حيث ينخفض الضغط فجأة) "، فقاعات صغيرة (أو غازات محلولة) في السائل تتوسع بسرعة، وتشكل "فقاعات تجويف" غير مرئية.

انهيار فقاعة التجويف: عندما تنتشر موجة الصوت إلى منطقة الضغط (حيث يرتفع الضغط فجأة) ،فقاقيع التسخين المتوسعة تنهار بقوة في غضون وقت قصير جداً (في ترتيب الميكرو ثانية)، وتوليد درجات حرارة عالية محلية (حتى 5000K) ، وضغوط عالية (حتى 1000atm) ، وميكروجيات مكثفة (مع معدلات تدفق تصل إلى 100m/s).

التشتت: تنفذ الطائرات الصغيرة من فقاعات التجويف المنهارة تأثيرًا قويًا وقوى القطع على الجسيمات المتجمعة المحيطة بها ،تحطيم مباشرة لبنية التجميع بين الجسيماتعلاوة على ذلك، فإن البيئة عالية درجة الحرارة والضغط العالي تضعف القوى بين الجزيئات، مما يساعد على تحقيق التشتت المتساوي على المستوى الجزيئي.العناصر الرئيسية للتشتت بالموجات فوق الصوتية
لتحقيق التشتت الموجات فوق الصوتية الفعال ، يجب التحكم في العناصر الأربعة الرئيسية التالية. تؤثر مجموعات مختلفة من المعلمات بشكل مباشر على تأثير التشتت:

فئة العناصر المعلم الرئيسي تأثير على التشتت
تردد النظام بالموجات فوق الصوتية (20kHz-100kHz) تردد منخفض (20-40kHz): طاقة انهيار فقاعة التجويف أقوى ، مناسبة لتفريق الجسيمات الخام (على سبيل المثال ، الجسيمات ذات الحجم الميكرون) ؛التردد العالي (> 40kHz): توليد الطاقة هو أكثر ملاءمة للجسيمات النانوية أو الأنظمة الحساسة (على سبيل المثال، الجزيئات الحيوية).

كثافة الطاقة (W/cm2) طاقة منخفضة جداً: غير فعالة في تفكيك التجمعات؛ طاقة عالية جداً: قد تتسبب في التجميع الثانوي (التسخين الزائد المحلي) أو الرذاذ المتوسط.يجب ضبط كثافة الطاقة وفقًا لنظام التشتت.
السسكية المتوسطة للتشتت وتوتر السطح: وسائل الإعلام ذات السسكية المنخفضة والتوتر السطحي المنخفض (مثل الماء والإيثانول) أكثر عرضة للتجويف ولديها كفاءة انتشار أعلى.الوسائط عالية اللزوجةالخصائص الكيميائية (قطبية / غير قطبية): يجب أن يكون للوسيط توافق جيد مع المرحلة المنبثقة (مثلالجسيمات) لمنع التجميع التجريبي بسبب الطرد الهيدروفوبيكي الهيدروفيلي (يمكن إضافة الموزعين للمساعدة).

المرحلة المنبثقة: حجم الجسيمات: تتطلب الجسيمات الكبيرة ذات الحجم الميكراني طاقة تجويف أعلى. الجسيمات الكروية ذات الحجم النانوي أسهل في التشتت.ولكن يجب التحكم في الطاقة لمنع تجميع التفاعل وإعادة امتصاصه.

التجميع الأولي: كلما كان التجميع الأولي أكثر حدة (مثل التجمعات الصلبة) ،كلما كان وقت التشتت أطول أو طريقة التشتت الأكثر ملاءمة (التحطيم الخام تليها التشتت الدقيق).
ظروف التشغيل: وقت التشتت: قصير جداً: عدم اكتمال التشتت؛ طويل جداً: قد يسبب كسر الجسيمات أو زيادة درجة الحرارة المتوسطة (يتطلب التبريد والتحكم في درجة الحرارة).

درجة الحرارة / الضغط: درجات الحرارة العالية تقلل من استقرار فقاعة التجويف (يقلل من طاقة الانهيار) ؛ الضغوط العالية تمنع تكوين فقاعات التجويف.العملية عادة ما يتم تنفيذها في الضغط الجويIII. مزايا وقيود التشتت بالموجات فوق الصوتية

1المزايا الرئيسية
كفاءة التشتت العالية: بالمقارنة مع التحريك الميكانيكي التقليدي (الذي يعتمد على قوى القطع الكبرى) ، يمكن أن تعمل الميكروفلوديكس بالموجات فوق الصوتية على مجموعات النانو ،مما يؤدي إلى تشتيت أكثر دقة ووقت أقصر (عادةً عدة دقائق إلى عشرات الدقائق).
تطبيق النظام الواسع: يمكن استخدامه في السائل الصلب (على سبيل المثال ، تشتيت الجسيمات النانوية في الماء) ، السائل السائل (على سبيل المثال ، إعداد المستحلبات ، مثل مستحلبات النفط والماء) ، وحتى الغاز السائل (على سبيل المثال.، تحضير الهواء المذاب في الماء) أنظمة.

لا توجد تلوث ميكانيكي: تعتمد عملية التشتت على الطاقة الصوتية ولا تتطلب أجزاء دوارة (على سبيل المثال ، المحركات).هذا يتجنب تلوث الشوائب الناجمة عن التآكل الميكانيكي، مما يجعلها مناسبة لأنظمة عالية النقاء (على سبيل المثال، مواد أشباه الموصلات والمستحضرات الدوائية).

التشغيل المرن: يمكن أن تكون المعدات مصغرة (نوع مسبار المختبر) أو صناعية (نوع خندق الأنابيب) ، والمعايير (التردد،يمكن تعديلها في الوقت الحقيقي لتلبية احتياجات السيناريوهات المختلفة.2 القيود الرئيسية
فقدان الطاقة العالي: تضعف موجات الصوت عالية التردد بسرعة في الوسائط عالية اللزوجة ، مما يتطلب طاقة أعلى للحفاظ على تأثير التجويف ، مما يؤدي إلى استهلاك طاقة مرتفع.

خطر الإفراط في الحرارة المحلية: إذا لم تتمكن درجات الحرارة العالية الناتجة عن انهيار فقاعات التجويف من التبديد بسرعة،يمكن أن تسبب تغيير طبيعة أو تحلل المواد الحساسة للحرارة (مثل البروتينات والبوليمرات).

تكلفة المعدات العالية:تكاليف التصنيع والصيانة لمعدات التشتت بالموجات فوق الصوتية الصناعية (مثل آلات الموجات فوق الصوتية عالية الطاقة) أعلى من تكاليف معدات الخلط التقليدية.

انتقاء الجسيمات: قد يكون تأثير التشتت محدودًا للجزيئات ذات الصلابة والكثافة العالية (مثل المساحيق المعدنية) ،التي تتطلب استخدام طرق أخرى (مثل طحن الكرات مع الموجات فوق الصوتية)IV. سيناريوهات تطبيق نموذجية
بسبب كفاءتها العالية ، وخالية من التلوث ، والأداء الدقيق ، يتم استخدام التشتت بالموجات فوق الصوتية على نطاق واسع في مختلف المجالات:

علوم المواد: تحضير المواد النانوية (على سبيل المثال ، تشتيت الجرافين في الراتنجات لإنشاء مواد مركبة موصلة ، تشتيت ثاني أكسيد التيتانيوم النانوي في الطلاء لتعزيز الخصائص المضادة للبكتيريا);

الطب الحيوي: المعدات الدوائية (مثل تشتيت جزيئات الدواء غير القابلة للذوبان بشكل جيد إلى مسامير نانوية لتحسين الامتصاص)التشتت الخلوي (يسهل استخراج البروتينات داخل الخلية / الأحماض النووية)، أساسا "تشتت على مستوى الخلية" ؛
الطلاء والحبر: تشتت الصبغة (على سبيل المثال، تشتت الكربون الأسود وثاني أكسيد التيتانيوم في الراتنجات لمنع تحليل الطلاء وتحسين توحيد اللون).

صناعة الأغذية: تحضير المستحلبات (على سبيل المثال، تشتيت الكريمة ذات الحجم النانوي في الحليب لتعزيز الطعم، أو تحضير مستحلبات البروبيوتيك المستقرة لتمديد مدة الصلاحية).
الإدارة البيئية: معالجة مياه الصرف الصحي (تشتت جزيئات الملوثات في نانو مقياس لزيادة مساحة الاتصال بالمواد الملوثة وتعزيز التلوث)

صناعة الإلكترونيات: تحضير عصى أشباه الموصلات (على سبيل المثال ، تشتيت جزيئات الفضة النانوية إلى حاملات عضوية للصمغ الموصل للشريحة لضمان التوصيل الموحد).

اعتماداً على سيناريو التطبيق، يتم تقسيم معدات التشتت بالموجات فوق الصوتية أساساً إلى فئتين:

أجهزة التشتيت بالموجات فوق الصوتية من نوع المسبار: تستند هذه الأجهزة إلى مسبار بالموجات فوق الصوتية (مصنوع من سبيكة التيتانيوم، ينقل الموجات الصوتية) الذي يغرق مباشرة في نظام التشتيت،تركيز الطاقة وجعلها مناسبة لمجموعات صغيرة من عينات المختبر.g، 10mL-1L) أو أنظمة عالية اللزوجة.

أجهزة التشتيت بالموجات فوق الصوتية من النوع الخارجي (غير الغوص): يتم تركيب محول الموجات فوق الصوتية على جدار خزان التفاعل ، ونقل الموجات الصوتية من خلال جدار الخزان إلى الوسط.هذه الموزعات مناسبة للإنتاج الصناعي المستمر(مثل معالجة خط التجميع ، مع أحجام معالجة لمرة واحدة تصل إلى مئات الليترات) ، خالية من ارتداء المسبار ، وسهلة التنظيف.

باختصار، التشتت بالموجات فوق الصوتية هي تكنولوجيا التشتت الدقيقة على أساس تأثير التجويف. تكمن قيمتها الأساسية في معالجة تحديات التجميع النانوي والتشتت عالي النقاء،التي يصعب معالجتها بالطرق التقليديةلقد أصبحت عملية أساسية لا غنى عنها في صناعات المواد والصيدلة والمواد الغذائية.