Сонофрагментация – ефектът на мощния ултразвук върху раздробяването на частици

Сонофрагментацията описва раздробяването на частици на фрагменти с наноразмери чрез ултразвук с висока мощност. За разлика от обичайните ултразвукови деагломерация и смилане – при които частиците се смилат и разделят главно чрез сблъсъци помежду си – сонофрагментацията се отличава с прякото взаимодействие между частицата и ударната вълна. Ултразвукът с висока мощност и ниска честота създава кавитация и вследствие на това интензивни сили на срязване в течностите. Екстремните условия при колапса на кавитационните мехурчета и сблъсъците между частиците смилат частиците до материал с много фини размери.

Ултразвуково производство и подготовка на наночастици

Ефектите на мощния ултразвук при производството на наноматериали са добре известни: диспергирането, деагломерацията и смилането и стриването, както и фрагментацията чрез ултразвукова обработка често са единственият ефективен метод за обработка на наночастици. Това важи особено за много фини наноматериали със специални функционални свойства, тъй като при наноразмери се проявяват уникални характеристики на частиците. За създаването на наноматериал със специфични функционални свойства трябва да се осигури равномерен и надежден процес на ултразвукова обработка. Hielscher доставя ултразвуково оборудване от лабораторен мащаб до мащаба на пълноценно промишлено производство.

Сонофрагментация чрез кавитация

Въвеждането на мощни ултразвукови сили в течности създава екстремни условия. Когато ултразвукът се разпространява в течна среда, ултразвуковите вълни предизвикват редуващи се цикли на сгъстяване и разреждане (цикли на високо и ниско налягане). По време на циклите на ниско налягане в течността възникват малки вакуумни мехурчета. Тези кавитационни мехурчета нарастват в продължение на няколко цикъла на ниско налягане, докато достигнат размер, при който вече не могат да поглъщат повече енергия. При това състояние на максимално погълната енергия и максимален размер на мехурчето кавитационното мехурче колапсира бурно и създава локално екстремни условия. Поради имплозията на кавитационните мехурчета локално се достигат много високи температури от приблизително 5000K и налягания от приблизително 2000atm. Имплозията води до образуването на течни струи със скорост до 280m/s (≈1000km/h). Сонофрагментацията описва използването на тези интензивни сили за раздробяване на частиците до по-малки размери в субмикронния и нанодиапазона. С напредването на ултразвуковата обработка формата на частиците се променя от ъгловата към сферична, което ги прави по-ценни. Резултатите от сонофрагментацията се изразяват чрез скоростта на фрагментация, която се описва като функция на вложената мощност, обема, подложен на ултразвукова обработка, и размера на агломератите.
Kusters et al. (1994) изследват подпомаганата с ултразвук фрагментация на агломерати във връзка с потреблението на енергия при нея. Резултатите на изследователите „показват, че техниката на ултразвуково диспергиране може да бъде толкова ефективна, колкото конвенционалните техники за смилане. Промишлената практика на ултразвуково диспергиране (например по-големи сонди, непрекъснато пропускане на суспензия) може донякъде да промени тези резултати, но като цяло се очаква специфичното потребление на енергия да не е причината за избора на тази техника за раздробяване, а по-скоро способността ѝ да произвежда изключително фини (субмикронни) частици.“ [Kusters et al. 1994] Особено при прахове, податливи на ерозия, като силициев диоксид или циркониев диоксид е установено, че специфичната енергия, необходима за единица маса прах, е по-ниска при ултразвуково смилане, отколкото при конвенционалните методи за смилане. Ултразвуковата обработка въздейства върху частиците не само чрез смилане и стриване, но и чрез полиране на твърдите вещества. По този начин може да се постигне висока сферичност на частиците.

Сонофрагментация за кристализация на наноматериали

„Макар да няма особено съмнение, че в суспензиите от молекулни кристали, облъчвани с ултразвук, действително възникват сблъсъци между частиците, те не са преобладаващият източник на фрагментация. За разлика от молекулните кристали, металните частици не се повреждат пряко от ударните вълни и могат да бъдат засегнати само от по-интензивните (но много по-редки) сблъсъци между частиците. Промяната в преобладаващите механизми при ултразвукова обработка на метални прахове спрямо суспензии от аспирин подчертава разликите в свойствата на ковките метални частици и ронливите молекулни кристали.“ [Zeiger/ Suslick 2011, 14532]

Сонофрагментация на частици аспирин [Zeiger/ Suslick 2011]

Gopi et al. (2008) изследват получаването на субмикрометрови керамични частици от алуминиев оксид с висока чистота (предимно в диапазона под 100 nm) от изходен материал с микрометрови размери (например 70–80 μm) чрез сонофрагментация. Те наблюдават значителна промяна в цвета и формата на керамичните частици от алуминиев оксид в резултат на сонофрагментацията. Частици в микронния, субмикронния и нанодиапазона могат лесно да бъдат получени чрез ултразвукова обработка с висока мощност. Сферичността на частиците се увеличава с увеличаването на времето на престой в акустичното поле.

Диспергиране в повърхностноактивно вещество

Поради ефективното ултразвуково раздробяване на частиците използването на повърхностноактивни вещества е от съществено значение за предотвратяване на деагломерацията на получените частици със субмикронни и наноразмери. Колкото по-малък е размерът на частиците, толкова по-високо е съотношението на повърхностната площ, която трябва да бъде покрита с повърхностноактивно вещество, за да се поддържат частиците в суспензия и да се избегне тяхната коагулация (агломерация). Предимството на ултразвуковата обработка се състои в диспергиращия ефект: едновременно със смилането и фрагментацията ултразвукът диспергира смлените фрагменти от частици с повърхностноактивното вещество, така че агломерацията на наночастиците се избягва (почти) напълно.

Промишлено производство

За снабдяване на пазара с висококачествен наноматериал, проявяващ изключителни функционални свойства, е необходимо надеждно оборудване за обработка. Ултразвуковите апарати с мощност до 16kW на устройство, които могат да бъдат обединявани в групи, позволяват обработката на потоци с практически неограничен обем. Благодарение на напълно линейното мащабиране на ултразвуковите процеси ултразвуковите приложения могат да бъдат изпитани без риск в лаборатория, оптимизирани в мащаб с настолно оборудване и след това внедрени безпроблемно в производствената линия. Тъй като ултразвуковото оборудване не изисква много пространство, то може да бъде интегрирано дори в съществуващи технологични потоци. Работата е лесна и може да бъде наблюдавана и управлявана дистанционно, а необходимостта от поддръжка на ултразвукова система е почти пренебрежима.

Разпределение по размер на частиците и изображения от сканираща електронна микроскопия (SEM) на сплав на основата на Bi2Te3 преди и след ултразвуково смилане. a – разпределение по размер на частиците; b – SEM изображение преди ултразвуково смилане; c – SEM изображение след ултразвуково смилане в продължение на 4 h; d – SEM изображение след ултразвуково смилане в продължение на 8 h.
източник: Marquez-Garcia et al. 2015.

Литература / Източници

• Ambedkar, B. (2012): Ultrasonic Coal-Wash for De-Ashing and De-Sulfurization: Experimental Investigation and Mechanistic Modeling. Springer, 2012.
• Eder, Rafael J. P.; Schrank, Simone; Besenhard, Maximilian O.; Roblegg, Eva; Gruber-Woelfler, Heidrun; Khinast, Johannes G. (2012): Continuous Sonocrystallization of Acetylsalicylic Acid (ASA): Control of Crystal Size. Crystal Growth & Design 12/10, 2012. 4733-4738.
• Gopi, K. R.; Nagarajan, R. (2008): Advances in Nanoalumina Ceramic Particle Fabrication Using Sonofragmentation. IEEE Transactions on Nanotechnology 7/5, 2008. 532-537.
• Kusters, Karl; Pratsinis, Sotiris E.; Thoma, Steven G.; Smith, Douglas M. (1994): Energy-size reduction laws for ultrasonic fragmentation. Powder Technology 80, 1994. 253-263.
• Zeiger, Brad W.; Suslick, Kenneth S. (2011): Sonofragementation of Molecular Crystals. Journal of the American Chemical Society. 2011.