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Representación de una boquilla ultrasónica

Las boquillas ultrasónicas son un tipo de boquilla de pulverización que utiliza vibraciones de alta frecuencia producidas por transductores piezoeléctricos que actúan sobre la punta de la boquilla y que crean ondas capilares en una película líquida. Una vez que la amplitud de las ondas capilares alcanza una altura crítica (debido al nivel de potencia suministrada por el generador), se vuelven demasiado altas para sostenerse y pequeñas gotas caen de la punta de cada onda, lo que resulta en atomización. [1]

Los factores principales que influyen en el tamaño inicial de la gota producida son la frecuencia de vibración, la tensión superficial y la viscosidad del líquido. Las frecuencias se encuentran comúnmente en el rango de 20 a 180 kHz, más allá del rango del oído humano, donde las frecuencias más altas producen el tamaño de gota más pequeño. [2]

Historia [ editar ]

En 1962, el Dr. Robert Lang dio seguimiento a este trabajo, demostrando esencialmente una correlación entre el tamaño de su gota atomizada en relación con la longitud de onda del líquido de Rayleigh. [1] Las boquillas ultrasónicas fueron comercializadas por primera vez por el Dr. Harvey L. Berger .US A 3861852 , "Quemador de combustible con atomizador ultrasónico mejorado", publicado el 21 de enero de 1975, asignado a Harvey Berger  .

Aplicaciones [ editar ]

Los usos posteriores de la tecnología incluyen el recubrimiento de tubos de extracción de sangre, la pulverización de fundente en placas de circuito impreso, el recubrimiento de stents liberadores de fármacos implantables y catéteres / globos, recubrimientos de fabricación de vidrio flotado , [3] recubrimientos antimicrobianos en alimentos, [4] recubrimientos de semiconductores de precisión y recubrimientos de energía alternativa para la fabricación de células solares y células de combustible, entre otros.

Stents liberadores de fármacos y balones recubiertos de fármacos [ editar ]

Los productos farmacéuticos como el sirolimus (también llamado rapamicina) y el paclitaxel utilizados con o sin un excipiente se recubren sobre la superficie de los stents liberadores de fármacos (DES) y los balones recubiertos de fármacos (DCB). Estos dispositivos se benefician enormemente de las boquillas de pulverización ultrasónica por su capacidad para aplicar revestimientos con poca o ninguna pérdida. Los dispositivos médicos como DES y DCB, debido a su pequeño tamaño, requieren patrones de rociado muy estrechos, un rociado atomizado de baja velocidad y aire a baja presión. [5]

Pilas de combustible [ editar ]

La investigación ha demostrado que las boquillas ultrasónicas se pueden utilizar de forma eficaz para fabricar pilas de combustible de membrana de intercambio de protones . Las tintas que se utilizan típicamente son una suspensión de platino - carbono , en la que el platino actúa como catalizador dentro de la celda. Los métodos tradicionales para aplicar el catalizador a la membrana de intercambio de protones generalmente implican serigrafía.o cuchillas dosificadoras. Sin embargo, este método puede tener un rendimiento de celda indeseable debido a la tendencia del catalizador a formar aglomeraciones, lo que da como resultado un flujo de gas no uniforme en la celda y prohíbe que el catalizador quede completamente expuesto y corre el riesgo de que se absorba el disolvente o el líquido portador. en la membrana, lo cual impidió la eficiencia del intercambio de protones. [6] Cuando se utilizan boquillas ultrasónicas, la pulverización se puede hacer que esté tan seca como sea necesario debido a la naturaleza del tamaño de gota pequeño y uniforme, variando la distancia que viajan las gotas y aplicando poco calor al sustrato de modo que las gotas se sequen en el aire antes de llegar al sustrato. Los ingenieros de procesos tienen un control más preciso sobre este tipo de variables en comparación con otras tecnologías. Además, debido a que la boquilla ultrasónica imparte energía a la suspensión justo antes y durante la atomización, los posibles aglomerados en la suspensión se rompen dando como resultado una distribución homogénea del catalizador, lo que da como resultado una mayor eficiencia del catalizador y, a su vez, de la pila de combustible. [7] [8]

Películas conductoras transparentes [ editar ]

La tecnología de boquillas de pulverización ultrasónica se ha utilizado para crear películas de óxido de indio y estaño (ITO) en la formación de películas conductoras transparentes (TCF). [9] ITO tiene una excelente transparencia y baja resistencia a la hoja, sin embargo, es un material escaso y propenso a agrietarse, lo que no lo convierte en un buen candidato para los nuevos TCF flexibles. El grafeno, por otro lado, se puede convertir en una película flexible, extremadamente conductora y de alta transparencia. Se ha informado que los nanocables Ag (AgNW) cuando se combinan con grafeno son una alternativa TCF superior prometedora a ITO. [10] Los estudios anteriores se centran en los métodos de revestimiento de barras y centrifugado que no son adecuados para TCF de gran superficie. Un proceso de varios pasos que utiliza una pulverización ultrasónica de óxido de grafeno y una pulverización convencional de AgNW seguidos de una hidracina.La reducción de vapor, seguida de la aplicación de una capa superior de polimetilmetacrilato (PMMA) dio como resultado un TCF pelable que se puede escalar a un tamaño grande. [11]

Nanotubos de carbono [ editar ]

Las películas delgadas de CNT se utilizan como materiales alternativos para crear películas conductoras transparentes (capas de TCO) [12] para pantallas táctiles u otros sustratos de vidrio, así como capas activas de células solares orgánicas. [13]

Spray fotorresistente sobre obleas de mems [ editar ]

Los sistemas microelectromecánicos (MEM) [14] son pequeños dispositivos microfabricados que combinan componentes eléctricos y mecánicos. Los dispositivos varían en tamaño desde menos de un micrón hasta milímetros de tamaño, y funcionan individualmente o en matrices para detectar, controlar y activar procesos mecánicos en la microescala. Los ejemplos incluyen sensores de presión, acelerómetros y micro motores. La fabricación de MEMs implica depositar una capa uniforme de fotorresistente [15] sobre la oblea de Si. La fotorresistencia se ha aplicado tradicionalmente a las obleas en la fabricación de circuitos integrados mediante una técnica de recubrimiento por rotación. [dieciséis]En dispositivos MEMs complejos que tienen áreas grabadas con relaciones de aspecto altas, puede ser difícil lograr una cobertura uniforme a lo largo de la parte superior, las paredes laterales y la parte inferior de ranuras y zanjas profundas utilizando técnicas de recubrimiento por rotación debido a la alta velocidad de rotación necesaria para eliminar el exceso. líquido. Las técnicas de pulverización ultrasónica se utilizan para pulverizar recubrimientos uniformes de fotorresistente en dispositivos MEM de alta relación de aspecto y pueden minimizar el uso y el exceso de fotorresistente. [17]

Placas de circuitos impresos [ editar ]

La naturaleza no obstructora de las boquillas ultrasónicas, el tamaño de gota pequeño y uniforme creado por ellas y el hecho de que la pluma de pulverización puede moldearse mediante dispositivos de modelado de aire estrictamente controlados hacen que la aplicación sea bastante exitosa en los procesos de soldadura por ola . La viscosidad de casi todos los fundentes del mercado se ajusta bien a las capacidades de la tecnología. En la soldadura , se prefiere mucho el fundente "no limpio". Pero si se aplican cantidades excesivas, el proceso dará como resultado residuos corrosivos en la parte inferior del conjunto del circuito. [18]

Células solares [ editar ]

Tanto la tecnología solar fotovoltaica como la sensible a colorantes necesitan la aplicación de líquidos y recubrimientos durante el proceso de fabricación. Dado que la mayoría de estas sustancias son muy caras, las pérdidas debidas al exceso de pulverización o al control de calidad se minimizan con el uso de boquillas ultrasónicas. En un esfuerzo por reducir los costos de fabricación de la celda solar , tradicionalmente realizado con el método de cloruro de fosforilo basado en lotes o POCl 3 , se ha demostrado que el uso de boquillas ultrasónicas para colocar una película delgada de base acuosa sobre obleas de silicio se puede usar de manera efectiva como un proceso de difusión para crear capas de tipo N con resistencia superficial uniforme. [19]

Pirólisis por pulverización ultrasónica [ editar ]

La pirólisis por pulverización ultrasónica es un método de deposición de vapor químico (CVD) utilizado en la formación de una variedad de materiales en forma de película delgada o nanopartícula . Los materiales precursores a menudo se fabrican mediante métodos sol-gel y los ejemplos incluyen la formación de nitrato de plata acuoso, [20] síntesis de partículas de zirconia, [21] y fabricación de cátodos SOFC de pilas de combustible de óxido sólido . [22]

Boquilla ultrasónica de alta temperatura

Una pulverización atomizada producida a partir de una boquilla ultrasónica se somete a un sustrato calentado que suele oscilar entre 300 y 400 grados C. [23] Debido a las altas temperaturas de la cámara de pulverización, las extensiones de la boquilla ultrasónica (como se muestra en la imagen y en la etiqueta - Ultrasonido de alta temperatura Boquilla) [ cita requerida ] como una punta removible (la punta está oculta debajo de la cubierta de aire de vórtice etiquetada con el n. ° 2) [ cita requerida ] han sido diseñadas para ser sometidas a altas temperaturas mientras se protege el cuerpo (etiquetada con el n. ° 1) [ cita requerida ] de la boquilla ultrasónica que contiene piezoeléctrico sensible a la temperaturaelementos, normalmente fuera de la cámara de pulverización o por otros medios de aislamiento. [24]

Referencias [ editar ]

  1. ↑ a b Lang, Robert (1962). "Atomización ultrasónica de líquidos". La Revista de la Sociedad Estadounidense de Acústica . 34 (1): 6. Bibcode : 1962ASAJ ... 34 .... 6L . doi : 10.1121 / 1.1909020 .
  2. ^ Berger, Harvey (1998). Teoría y aplicación de la atomización líquida ultrasónica . Hyde Park, Nueva York: Partridge Hill Publishers. pag. 44. ISBN 978-0-9637801-5-7.
  3. ^ Davis, Nancy (febrero de 2005). "Spray ultrasónico para la fabricación de vidrio" (PDF) . Revista Glass .
  4. ↑ DiNapoli, Jessica (10 de octubre de 2013). "Sono-Tek tiene como objetivo la seguridad alimentaria" . Times Herald-Record .
  5. ^ Berger, Harvey. "Director de Tecnología" . Tecnología europea de dispositivos médicos . Consultado el 7 de febrero de 2014 .
  6. ^ Wheeler, D; Sverdrup, G. (marzo de 2008). "Estado de fabricación: celdas de combustible de membrana de electrolito de polímero (PEM)" (PDF) . Informe técnico . NREL / TP-560-41655: 6. doi : 10.2172 / 924988 .
  7. ↑ Engle, Robb (8 de agosto de 2011). "MAXIMIZAR EL USO DEL CATALIZADOR PLATINO MEDIANTE APLICACIÓN DE SPRAY ULTRASÓNICO" (PDF) . Actas de Asme 2011 5ª Conferencia Internacional sobre Sostenibilidad Energética y 9ª Conferencia de Ciencia, Ingeniería y Tecnología de Celdas de Combustible . ESFUELCELL2011-54369: 637–644. doi : 10.1115 / FuelCell2011-54369 . ISBN  978-0-7918-5469-3.
  8. ^ Millington, Ben; Vincent Whipple; Bruno G Pollet (15 de octubre de 2011). "Un método novedoso para preparar electrodos de pila de combustible de membrana de intercambio de protones mediante la técnica de pulverización ultrasónica". Revista de fuentes de energía . 196 (20): 8500-8508. Código Bibliográfico : 2011JPS ... 196.8500M . doi : 10.1016 / j.jpowsour.2011.06.024 .
  9. ^ ZB Zhoua, RQ Cuia, QJ Panga, YD Wanga, FY Menga, TT Suna, ZM Dingb, XB Yub, 2001, " [1] ," Preparación de películas de óxido de indio y estaño y películas de óxido de estaño dopadas mediante un proceso CVD de pulverización ultrasónica , Volumen 172, números 3-4
  10. ^ Young Soo Yun, Do Hyeong Kim, Bona Kim, Hyun Ho Park, Hyoung-Joon Jin, 2012, " [2] ," Películas conductoras transparentes basadas en híbridos de nanocables de plata / óxido de grafeno con alta flexibilidad, Metales sintéticos, Volumen 162, Número 15–16, páginas 1364–1368
  11. ^ Young-Hui Koa, Ju-Won Leeb, Won-Kook Choic, Sung-Ryong Kim, 2014, " [3] ," Óxido de grafeno pulverizado ultrasónico y nanocable Ag pulverizado con aire para la preparación de películas conductoras transparentes flexibles, The Chemical Society de Japón
  12. ^ Majumder, Mainak; et al. (2010). "Información sobre la física de las películas SWNT de recubrimiento por pulverización". Ciencias de la Ingeniería Química . 65 (6): 2000-2008. doi : 10.1016 / j.ces.2009.11.042 .
  13. ^ Steirer, K. Xerxes; et al. (2009). "Deposición por pulverización ultrasónica para la producción de células solares orgánicas". Materiales de energía solar y células solares . 93 (4): 447–453. doi : 10.1016 / j.solmat.2008.10.026 .
  14. ^ "Sistemas microelecromecánicos (MEMS)" .
  15. ^ "Transferencia de patrones" .
  16. ^ "Litografía de semiconductores (fotolitografía) - el proceso básico" .
  17. ^ "Proceso para recubrir una composición fotorresistente sobre un sustrato" .
  18. ^ Rathinavelu, Umadevi. "Efecto de los residuos de fundente no limpios sobre el rendimiento del revestimiento conformado acrílico en entornos agresivos" (PDF) . IEEE.
  19. ^ Voyer, Catherine (7 de junio de 2004). "Evaluación de fuentes de dopantes y métodos de deposición adecuados para difusión en línea en la industria fotovoltaica" . XIX Congreso Europeo de Energía Fotovoltaica : 848.
  20. ^ Kalyana C. Pingali, David A. Rockstraw y Shuguang Deng, 2005, " Nanopartículas de plata de la pirólisis de aerosol ultrasónico de nitrato de plata acuoso ", Ciencia y tecnología de aerosoles, 39: 1010-1014
  21. ^ YL Song, SC Tsai, CY Chen, TK Tseng, CS Tsai, JW Chen y YD Yao, 2004, " Pirólisis por pulverización ultrasónica para la síntesis de partículas esféricas de circonio " Revista de la American Ceramic Society , Vol.87, No. 10
  22. ^ Hoda Amani Hamedani, 2008, Investigación de los parámetros de deposición en la pirólisis por pulverización ultrasónica para la fabricación de cátodos de células de combustible de óxido sólido , Instituto de Tecnología de Georgia
  23. ^ Nakaruk, A; DS Perera (6 de noviembre de 2010). "Influencia de la temperatura de deposición en películas de titania depositadas por pirólisis por pulverización ultrasónica" . El AZo Journal of Materials Online .
  24. ^ Carstens, James (1993). Sensores y transductores eléctricos . Regentes / Prentice Hall. págs. 185-199. ISBN 978-0132496322.

Berger, Harvey L. Atomización líquida ultrasónica: teoría y aplicación. 2ª ed. Hyde Park: Partrige Hill, 2006. 1-177.

Lefebvre, Arthur, atomización y aerosoles, hemisferio, 1989, ISBN 0-89116-603-3 

Enlaces externos [ editar ]

  • Explicación adicional de cómo funciona una boquilla ultrasónica