Teolliseen nanohiukkassovellutukseen tuotetun aerosolin massakokojakauman määrittäminen

Abstract

Nanomateriaalit ovat tulleet osaksi teollista tuotekehittelyä ja niiden valmistusmäärät ovat kasvussa. Teollisen nanomateriaalituotannon tavoitteena on tuottaa tasalaatuisia ja tasakokoisia hiukkasia. Ongelmia kuitenkin aiheutuu tuotantoprosessien mahdollisina sivutuotteina syntyvistä suurikokoista residuaalihiukkasista, jotka vaikuttavat epäsuotuisasti nanomateriaalien homogeenisuuteen ja huokoisuuteen. Optisia kuituja voidaan valmistaa nesteliekkiruiskutuksella, jossa nestemäiset lähtöainepisarat ruiskutetaan liekkiin pieniksi pisaroiksi. Kuidun laadun kannalta on tärkeää, että muodostuneet hiukkaset ovat nanokokoisia. Liekissä epätäydellisesti haihtuneet jäännöspisarat voivat kuitenkin tuottaa residuaalihiukkasia, jotka vaikuttavat ei-toivotuilla tavoilla optisten kuitujen ominaisuuksiin. Lähtöainepisaroinnin avulla tuotettujen aerosolihiukkasten massakokojakaumia voidaan erikseen tutkia aerosolimittalaitteilla. Liekillä tuotettuja hiukkasia voidaan tutkia samanaikaisesti impaktorikeräyksellä, jolla voidaan määrittää residuaalihiukkasten massapitoisuus gravimetrisesti, sekä sähköisellä liikkuvuusanalysaattorilla, jolla voidaan määrittää nanohiukkasten lukumääräpitoisuus ja sitä kautta massapitoisuus. Aerosoli-menetelmät tarjoavat keinon tutkia erilaisten lähtöaineiden sekä niiden seosten soveltuvuutta optisten kuitujen lähtöaineiksi ilman, että kuitua tarvitsee tehdä valmiiksi asti. Tällöin säästyy aikaa, rahaa ja materiaaleja. Lisäksi massakokojakaumien avulla voidaan tutkia, miten yhdestä lähtöaineesta tuotetun näytteen massakokojakauma korreloi useammasta lähtöaineesta tuotetun näytteen massakokojakauman kanssa. Teollisissa olosuhteissa toteutetuissa mittauksissa määritettiin massakokojakauma 20 erilaisesta lähtöaineesta. Näiden jakaumien perusteella voitiin arvioida lähtöaineiden soveltuvuudesta optisten kuitujen lähtöaineiksi. Lisäksi havaittiin, että yhden lähtöaineen massakokojakaumasta ei voida suoraan päätellä mikä useampaa lähtöainetta sisältävän näytteen massakokojakauma olisi. Nanohiukkasten muodostuminen vaati pisaroiden täydellistä haihtumista liekissä. Haihtumiseen vaikuttavat lähtöaineiden kemiallinen koostumus sekä lähtöaineen liuottimen ominaisuudet. Tutkimusten mukaan liuottimeen voidaan lisätä aineita, jotka edesauttavat pisaroiden haihtumista liekissä. Tämän todentamiseksi laboratoriomittauksissa valmistettiin alumiinioksidihiukkasia käyttäen lähtöaineena edullista alumiininitraattia sekä liuottimena etanolia ja neljää pitoisuudeltaan erilaista etanolin ja 2-etyyliheksaanihapon (EHA) seosta. Kun liuottimena käytettiin etanolia, muodostui residuaalikokoisia alumiinioksidihiukkasia. Liuottimen koostumusta muutettaessa havaittiin, että jo 5 % EHA:a riitti poistamaan residuaalimoodin kokonaan siten, että liekissä muodostui pelkästään nanokokoisia alumiinioksidihiukkasia.