Sonofragmentace – vliv výkonového ultrazvuku na rozpad částic

Sonofragmentace popisuje rozpad částic na fragmenty nanometrových rozměrů působením vysoce výkonného ultrazvuku. Na rozdíl od běžné ultrazvukové deaglomerace a mletí – kdy jsou částice mlety a oddělovány převážně vzájemnými srážkami – se sonofragmentace vyznačuje přímou interakcí mezi částicí a rázovou vlnou. Vysoce výkonný/nízkofrekvenční ultrazvuk vytváří v kapalinách kavitaci, a tím intenzivní smykové síly. Extrémní podmínky kolapsu kavitačních bublin a srážek mezi částicemi rozmělňují částice na velmi jemný materiál.

Ultrazvuková výroba a příprava nanočástic

Účinky výkonového ultrazvuku při výrobě nanomateriálů jsou dobře známé: dispergace, deaglomerace, mletí a rozmělňování, stejně jako fragmentace pomocí sonikace jsou často jedinou účinnou metodou zpracování nanočástic. To platí zejména u velmi jemných nanomateriálů se zvláštními funkcionalitami, protože v nanometrové velikosti se projevují jedinečné vlastnosti částic. Pro vytvoření nanomateriálu se specifickými funkcionalitami je nutné zajistit rovnoměrný a spolehlivý proces sonikace. Hielscher dodává ultrazvuková zařízení od laboratorního měřítka až po plnou komerční výrobní velikost.

Sonofragmentace kavitací

Vnášení silných ultrazvukových sil do kapalin vytváří extrémní podmínky. Když se ultrazvuk šíří kapalným médiem, ultrazvukové vlny vyvolávají střídavé cykly komprese a zředění (cykly vysokého a nízkého tlaku). Během cyklů nízkého tlaku vznikají v kapalině malé vakuové bubliny. Tyto kavitační bubliny rostou po několik cyklů nízkého tlaku, dokud nedosáhnou velikosti, při které již nemohou absorbovat další energii. V tomto stavu maximální absorbované energie a velikosti bubliny kavitační bublina prudce zkolabuje a lokálně vytvoří extrémní podmínky. V důsledku imploze kavitačních bublin se lokálně dosahuje velmi vysokých teplot přibližně 5000K a tlaků přibližně 2000atm. Imploze vede ke vzniku kapalinových paprsků o rychlosti až 280m/s (≈1000km/h). Sonofragmentace popisuje využití těchto intenzivních sil k fragmentaci částic na menší rozměry v submikronové a nanometrové oblasti. S postupující sonikací se tvar částic mění z hranatého na kulovitý, což zvyšuje hodnotu částic. Výsledky sonofragmentace se vyjadřují jako rychlost fragmentace, která je popsána jako funkce příkonu, sonikovaného objemu a velikosti aglomerátů.
Kusters et al. (1994) zkoumali ultrazvukem podporovanou fragmentaci aglomerátů ve vztahu k její spotřebě energie. Výsledky výzkumníků „naznačují, že technika ultrazvukové disperze může být stejně účinná jako konvenční techniky mletí. Průmyslová praxe ultrazvukové disperze (např. větší sonotrody, kontinuální průchod suspenze) může tyto výsledky poněkud změnit, ale celkově se očekává, že důvodem pro volbu této techniky rozmělňování není specifická spotřeba energie, nýbrž spíše její schopnost produkovat extrémně jemné (submikronové) částice.“ [Kusters et al. 1994] Zejména u erodujících prášků, jako je oxid křemičitý nebo oxid zirkoničitý, bylo zjištěno, že specifická energie potřebná na jednotku hmotnosti prášku je při ultrazvukovém mletí nižší než u konvenčních metod mletí. Ultrazvuková sonikace působí na částice nejen mletím a rozmělňováním, ale také leštěním pevných látek. Tím lze dosáhnout vysoké sféricity částic.

Sonofragmentace pro krystalizaci nanomateriálů

„Ačkoli není pochyb o tom, že v suspenzích molekulárních krystalů ozařovaných ultrazvukem ke srážkám mezi částicemi skutečně dochází, nejsou dominantním zdrojem fragmentace. Na rozdíl od molekulárních krystalů nejsou kovové částice rázovými vlnami přímo poškozovány a mohou být ovlivněny pouze intenzivnějšími (avšak mnohem vzácnějšími) srážkami mezi částicemi. Posun dominantních mechanismů při sonikaci kovových prášků oproti suspenzím aspirinu zdůrazňuje rozdíly ve vlastnostech kujných kovových částic a křehkých molekulárních krystalů.“ [Zeiger/ Suslick 2011, 14532]

Sonofragmentace částic aspirinu [Zeiger/ Suslick 2011]

Gopi et al. (2008) zkoumali výrobu vysoce čistých submikrometrových keramických částic oxidu hlinitého (převážně v oblasti pod 100 nm) z výchozího materiálu mikrometrové velikosti (např. 70–80 μm) pomocí sonofragmentace. V důsledku sonofragmentace pozorovali výraznou změnu barvy a tvaru keramických částic oxidu hlinitého. Částice v mikronové, submikronové a nanometrové oblasti lze snadno získat vysoce výkonnou sonikací. Sféricita částic se zvyšovala s rostoucí dobou zdržení v akustickém poli.

Disperze v povrchově aktivní látce

Díky účinnému ultrazvukovému rozpadu částic je použití povrchově aktivních látek nezbytné k zabránění deaglomeraci získaných submikronových a nanometrových částic. Čím menší je velikost částic, tím vyšší je poměr stran povrchové plochy, kterou je nutné pokrýt povrchově aktivní látkou, aby částice zůstaly v suspenzi a aby se zabránilo jejich koagulaci (aglomeraci). Výhoda ultrazvukové sonikace spočívá v dispergačním účinku: současně s mletím a fragmentací ultrazvuk disperguje rozemleté fragmenty částic s povrchově aktivní látkou, takže aglomeraci nanočástic je (téměř) zcela zabráněno.

Průmyslová výroba

Aby bylo možné zásobovat trh vysoce kvalitním nanomateriálem s mimořádnými funkcionalitami, je zapotřebí spolehlivé procesní zařízení. Sonikátory s výkonem až 16kW na jednotku, které lze sdružovat do clusterů, umožňují zpracování prakticky neomezených objemových toků. Díky plně lineární škálovatelnosti ultrazvukových procesů lze ultrazvukové aplikace bez rizika otestovat v laboratoři, optimalizovat ve stolním měřítku a poté bez problémů zavést do výrobní linky. Protože ultrazvukové zařízení nevyžaduje mnoho prostoru, lze jej dokonce dodatečně instalovat do stávajících procesních toků. Obsluha je snadná a lze ji monitorovat a řídit dálkově, přičemž údržba ultrazvukového systému je téměř zanedbatelná.

Distribuce velikosti částic a snímky SEM slitiny na bázi Bi2Te3 před ultrazvukovým mletím a po něm. a – distribuce velikosti částic; b – snímek SEM před ultrazvukovým mletím; c – snímek SEM po ultrazvukovém mletí po dobu 4 h; d – snímek SEM po ultrazvukovém mletí po dobu 8 h.
zdroj: Marquez-Garcia et al. 2015.

Literatura / Reference

• 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.