Sonofragmentacija – Učinak ultrazvuka snage na lomljenje čestica

Sonofragmentacija opisuje lomljenje čestica na fragmente nano veličine ultrazvukom velike snage. Za razliku od uobičajene ultrazvučne deaglomeracije i mljevenja – gdje se čestice uglavnom melju i razdvajaju sudarom između čestica – , sono-fragementacija se razlikuje po direktnoj interakciji između čestica i udarnog vala. Ultrazvuk velike snage/niske frekvencije stvara kavitaciju i time intenzivne sile smicanja u tekućinama. Ekstremni uslovi kolapsa kavitacionog mjehura i interpartikularnog sudara melju čestice do materijala vrlo fine veličine.

Ultrazvučna proizvodnja i priprema nano čestica

Efekti snažnog ultrazvuka za proizvodnju nano materijala su dobro poznati: dispergiranje, deaglomeracija i mljevenje & Brušenje kao i fragmentacija ultrazvukom često su jedina efikasna metoda za liječenje nano čestice. Ovo je posebno tačno kada su u pitanju veoma fini nano materijali sa posebnim funkcijama jer se kod nano veličine iskazuju jedinstvene karakteristike čestica. Da bi se stvorio nano materijal sa specifičnim funkcijama, mora se osigurati ravnomjeran i pouzdan proces sonikacije. Hielscher isporučuje ultrazvučnu opremu od laboratorijske veličine do pune komercijalne proizvodnje.

Sono-fragmentacija kavitacijom

Unos snažnih ultrazvučnih sila u tečnosti stvara ekstremne uslove. Kada ultrazvuk širi tečni medij, ultrazvučni valovi rezultiraju naizmjeničnim ciklusima kompresije i razrjeđivanja (ciklusi visokog i niskog tlaka). Tokom ciklusa niskog pritiska, u tečnosti nastaju mali vakuumski mehurići. Ove kavitacija mjehurići rastu tokom nekoliko ciklusa niskog pritiska dok ne dostignu veličinu kada ne mogu apsorbirati više energije. U ovom stanju maksimalne apsorbirane energije i veličine mjehurića, kavitacijski mjehur se naglo kolapsira i stvara lokalno ekstremne uslove. Zbog implozije kavitacija mjehurića, vrlo visoke temperature od cca. 5000K i pritiscima od cca. 2000atm se postiže lokalno. Implozija rezultira mlazom tekućine brzine do 280m/s (≈1000km/h). Sono-fragmentacija opisuje upotrebu ovih intenzivnih sila za fragmentaciju čestica na manje dimenzije u submikronskom i nano opsegu. Uz naprednu sonikaciju, oblik čestica se pretvara iz ugaonog u sferni, što čini čestice vrednijim. Rezultati sonofragmentacije izraženi su kao brzina fragmentacije koja je opisana kao funkcija ulazne snage, sonicirane zapremine i veličine aglomerata.
Kusters et al. (1994) istraživali su ultrazvučno potpomognutu fragmentaciju aglomerata u odnosu na njihovu potrošnju energije. Rezultati istraživača „ukazuju da tehnika ultrazvučne disperzije može biti jednako efikasna kao i konvencionalne tehnike mljevenja. Industrijska praksa ultrazvučne disperzije (npr. veće sonde, kontinuirani protok suspenzije) može donekle promijeniti ove rezultate, ali sveukupno se očekuje da specifična potrošnja energije nije razlog za odabir ove kominutronske tehnike, već njena sposobnost da proizvode izuzetno fine (submikronske) čestice.“ [Kusters et al. 1994] Posebno za erodirajuće pudere kao npr Silica ili cirkonija, utvrđeno je da je specifična energija potrebna po jedinici mase praha ultrazvučnim mljevenjem manja od one kod konvencionalnih metoda mljevenja. Ultrazvuk utječe na čestice ne samo mljevenjem i mljevenjem, već i poliranjem čvrstih tvari. Time se može postići visoka sferičnost čestica.

Sono-fragmentacija za kristalizaciju nanomaterijala

„Iako nema sumnje da se sudari između čestica dešavaju u kašama molekularnih kristala ozračenih ultrazvukom, one nisu dominantan izvor fragmentacije. Za razliku od molekularnih kristala, metalne čestice ne oštećuju se direktno udarnim talasima i na njih mogu uticati samo intenzivniji (ali mnogo rjeđi) međučestični sudari. Promena dominantnih mehanizama za sonikaciju metalnih prahova u odnosu na kašu aspirina naglašava razlike u svojstvima savitljivih metalnih čestica i lomljivih molekularnih kristala.“ [Zeiger/ Suslick 2011, 14532]

Sonofragmentacija čestica aspirina [Zeiger/Suslick 2011]

Gopi et al. (2008) istraživali su proizvodnju submikrometarskih aluminijevih keramičkih čestica visoke čistoće (pretežno u opsegu ispod 100 nm) iz materijala mikrometarske veličine (npr. 70-80 μm) koristeći sonofragmentaciju. Uočili su značajnu promjenu boje i oblika keramičkih čestica glinice kao rezultat sono-fragmentacije. Čestice u mikronskim, submikronskim i nano veličinama mogu se lako dobiti ultrazvučnom obradom velike snage. Sferičnost čestica se povećavala sa povećanjem vremena zadržavanja u akustičnom polju.

Disperzija u surfaktantu

Zbog efikasnog ultrazvučnog lomljenja čestica, upotreba surfaktanata je neophodna za sprečavanje deaglomeracije dobijenih submikronskih i nano-velikih čestica. Što je manja veličina čestica, to je veći apekt omjer površine, koja mora biti prekrivena surfaktantom kako bi se održale u suspenziji i kako bi se izbjeglo zgrušavanje čestica (aglomeracija). Prednost ultrazvučne obrade je u efektu dispergiranja: Istovremeno sa mljevenjem i fragmentacijom, ultrazvuk je raspršio samljevene fragmente čestica sa surfaktantom tako da je aglomeracija nano čestica (gotovo) potpuno izbjegnuta.

Industrijska proizvodnja

Za opsluživanje tržišta sa visokokvalitetnim nano materijalom koji izražava izvanredne funkcionalnosti, potrebna je pouzdana oprema za obradu. Ultrasonikatori sa do 16kW po jedinici koji se mogu klasterizovati omogućavaju obradu gotovo neograničenih tokova volumena. Zbog potpuno linearne skalabilnosti ultrazvučnih procesa, ultrazvučne aplikacije mogu se bez rizika testirati u laboratoriji, optimizirati na stolnoj skali i zatim bez problema implementirati u proizvodnu liniju. Kako ultrazvučna oprema ne zahtijeva veliki prostor, može se čak i naknadno ugraditi u postojeće procesne tokove. Rad je jednostavan i može se pratiti i pokrenuti putem daljinskog upravljača, dok je održavanje ultrazvučnog sistema gotovo zanemarljivo.

Raspodjela veličine čestica i SEM slike legure na bazi Bi2Te3 prije i nakon ultrazvučnog mljevenja. a – Raspodjela veličine čestica; b – SEM slika prije ultrazvučnog mljevenja; c – SEM slika nakon ultrazvučnog mljevenja 4 h; d – SEM slika nakon ultrazvučnog mljevenja u trajanju od 8 h.
izvor: Marquez-Garcia et al. 2015.

Literatura / Reference