Сонофрагментация – ефектът на мощния ултразвук върху счупването на частиците

Сонофрагментацията описва разбиването на частици на фрагменти с наноразмери чрез ултразвук с висока мощност. За разлика от обикновената ултразвукова деагломерация и фрезоване – където частиците се смилат и разделят главно чрез сблъсък между частиците – , соно-фрагенцията се отличава с прякото взаимодействие между частица и ударна вълна. Ултразвукът с висока мощност/ниска честота създава кавитация и по този начин интензивни сили на срязване в течностите. Екстремните условия на кавитационно срутване на мехурчета и междуприличен сблъсък смилат частиците до материал с много фин размер.

Ултразвуково производство и подготовка на наночастици

Ефектите на силовия ултразвук за производството на нано материали са добре известни: диспергиране, деагломерация и фрезоване & Смилането, както и фрагментацията чрез ултразвук често са единственият ефективен метод за лечение наночастици. Това е особено вярно, когато става въпрос за много фини нано материали със специални функции, тъй като при наноразмера се изразяват уникални характеристики на частиците. За да се създаде наноматериал със специфични функционалности, трябва да се осигури равномерен и надежден процес на ултразвук. Hielscher доставя ултразвуково оборудване от лабораторен мащаб до пълен търговски производствен размер.

Сонофрагментация чрез кавитация

Въвеждането на мощни ултразвукови сили в течности създава екстремни условия. Когато ултразвукът разпространява течна среда, ултразвуковите вълни водят до редуващи се цикли на компресия и разреждане (цикли на високо налягане и ниско налягане). По време на циклите на ниско налягане в течността възникват малки вакуумни мехурчета. Тези Кавитация мехурчетата растат в продължение на няколко цикъла на ниско налягане, докато достигнат размер, когато не могат да абсорбират повече енергия. В това състояние на максимална абсорбирана енергия и размер на мехурчето, кавитационният мехур се срутва силно и създава локално екстремни условия. Поради имплозията на Кавитация мехурчета, много високи температури от около 5000К и налягане от около 2000 атм се достигат локално. Имплозията води до течни струи със скорост до 280 м/с (≈1000 км/ч). Сонофрагментацията описва използването на тези интензивни сили за фрагментиране на частици до по-малки размери в субмикронния и нанодиапазона. С прогресираща ултразвук формата на частиците се превръща от ъглова в сферична, което прави частиците по-ценни. Резултатите от сонофрагментацията се изразяват като скорост на фрагментация, която се описва като функция на входящата мощност, обема на ултразвука и размера на агломератите.
Kusters et al. (1994) изследват ултразвуково подпомогната фрагментация на агломератите във връзка с консумацията на енергия. Резултатите на изследователите "показват, че техниката на ултразвукова дисперсия може да бъде толкова ефективна, колкото конвенционалните техники за смилане. Промишлената практика на ултразвукова дисперсия (напр. по-големи сонди, непрекъсната пропускателна способност на суспензията) може да промени донякъде тези резултати, но като цяло се очаква, че специфичната консумация на енергия не е причината за избора на тази техника на разминаване, а по-скоро способността й да произвежда изключително фини (субмикронни) частици." [Kusters et al. 1994] Особено за ерозиращи прахове като Силициев двуокис или цирконий, специфичната енергия, необходима за единица маса на прах, е установено, че е по-ниска при ултразвуково смилане, отколкото при конвенционалните методи на смилане. Ултразвукът въздейства върху частиците не само чрез фрезоване и шлайфане, но и чрез полиране на твърдите частици. По този начин може да се постигне висока сферичност на частиците.

Сонофрагментация за кристализация на наноматериали

"Въпреки че няма съмнение, че сблъсъците между частиците се случват в суспензии от молекулярни кристали, облъчени с ултразвук, те не са доминиращият източник на фрагментация. За разлика от молекулярните кристали, металните частици не се увреждат директно от ударните вълни и могат да бъдат засегнати само от по-интензивните (но много по-редки) сблъсъци на частици. Промяната в доминиращите механизми за ултразвук на метални прахове в сравнение с аспириновите суспензии подчертава разликите в свойствата на ковки метални частици и ронливи молекулярни кристали." [Zeiger/Suslick 2011, 14532]

Сонофрагментация на частици аспирин [Zeiger/ Suslick 2011]

Gopi et al. (2008) изследват производството на субмикрометрови алуминиеви керамични частици с висока чистота (предимно в диапазона под 100 nm) от микрометър (напр. 70-80 μm) с помощта на сонофрагментация. Те наблюдават значителна промяна в цвета и формата на алуминиевите керамични частици в резултат на сонофрагментация. Частици в микрон, субмикрон и нано размер могат лесно да бъдат получени чрез ултразвук с висока мощност. Сферичността на частиците се увеличава с увеличаване на времето за задържане в акустичното поле.

Дисперсия в повърхностно активно вещество

Поради ефективното ултразвуково счупване на частиците, използването на повърхностноактивни вещества е от съществено значение за предотвратяване на деагломерацията на получените субмикронни и наноразмерни частици. Колкото по-малък е размерът на частиците, толкова по-голямо е съотношението на повърхността, която трябва да бъде покрита с повърхностно активно вещество, за да се запазят в суспензия и да се избегне коагуалация на частиците (агломерация). Предимството на ултразвука се крие в диспергиращия ефект: едновременно със смилането и фрагментирането, ултразвукът разпръсква шлифованите фрагменти от частици с повърхностноактивното вещество, така че агломерацията на наночастиците е (почти) напълно избегната.

промишлено производство

За да се обслужва пазара с висококачествен наноматериал, който изразява изключителни функционалности, е необходимо надеждно оборудване за обработка. Ултразвуковите апарати с мощност до 16 kW на единица, които могат да се клъстеризират, позволяват обработка на практически неограничени обемни потоци. Благодарение на напълно линейната мащабируемост на ултразвуковите процеси, ултразвуковите приложения могат да бъдат тествани без риск в лаборатория, оптимизирани в настолен мащаб и след това внедрени без проблеми в производствената линия. Тъй като ултразвуковото оборудване не изисква голямо пространство, то може дори да бъде преоборудвано в съществуващи технологични потоци. Работата е лесна и може да се наблюдава и управлява чрез дистанционно управление, докато поддръжката на ултразвукова система е почти пренебрегвана.

Разпределение на размера на частиците и SEM изображения на сплав на базата на Bi2Te3 преди и след ултразвуково фрезоване. една – Разпределение на размера на частиците; b – SEM изображение преди ултразвуково фрезоване; c – SEM изображение след ултразвуково фрезоване за 4 часа; d – SEM изображение след ултразвуково фрезоване за 8 часа.
източник: Marquez-Garcia et al. 2015.

Литература / Препратки