Sonofragmentace – vliv výkonového ultrazvuku na rozbití částic

Sonofragmentace popisuje rozbití částic na fragmenty o velikosti nanočástic pomocí ultrazvuku s vysokým výkonem. Na rozdíl od běžné ultrazvukové deaglomerace a mletí – kde jsou částice převážně rozmělňovány a odděleny srážkou mezi částicemi – , sono-fragementace se vyznačuje přímou interakcí mezi částicí a rázovou vlnou. Ultrazvuk s vysokým výkonem / nízkou frekvencí vytváří kavitaci a tím intenzivní smykové síly v kapalinách. Extrémní podmínky kavitačního kolapsu bublin a mezidruhových srážek rozmělňují částice na velmi jemný materiál.

Ultrazvuková výroba a příprava nanočástic

Účinky výkonového ultrazvuku pro výrobu nanomateriálů jsou dobře známé: dispergace, deaglomerace a mletí & Mletí, stejně jako fragmentace sonikací jsou často jedinou účinnou metodou k léčbě nano částice. To platí zejména, pokud jde o velmi jemné nano materiály se zvláštními funkcemi, jako je velikost nano, jsou vyjádřeny jedinečné vlastnosti částic. Chcete-li vytvořit nano materiál se specifickými funkcemi, musí být zajištěn rovnoměrný a spolehlivý proces sonikace. Hielscher dodává ultrazvukové zařízení od laboratorního měřítka až po plnou komerční výrobní velikost.

Sono-fragmentace kavitací

Vstup silných ultrazvukových sil do kapalin vytváří extrémní podmínky. Když ultrazvuk šíří kapalné médium, ultrazvukové vlny vedou ke střídání kompresních a vzácných cyklů (vysokotlaké a nízkotlaké cykly). Během nízkotlakých cyklů vznikají v kapalině malé vakuové bubliny. Tyto kavitace Bubliny rostou v několika cyklech s nízkým tlakem, dokud nedosáhnou velikosti, kdy nemohou absorbovat více energie. V tomto stavu maximální absorbované energie a velikosti bubliny se kavitační bublina prudce zhroutí a vytvoří lokálně extrémní podmínky. V důsledku imploze kavitace bubliny, velmi vysoké teploty cca. 5000K a tlaky cca. 2000 atm jsou dosaženy lokálně. Imploze má za následek trysky kapaliny o rychlosti až 280 m/s (≈1000 km/h). Sono-fragmentace popisuje použití těchto intenzivních sil k fragmentaci částic do menších rozměrů v submikronovém a nano rozsahu. S postupující sonikací se tvar částic mění z úhlového na kulovitý, což činí částice cennějšími. Výsledky sonofragmentace jsou vyjádřeny jako rychlost fragmentace, která je popsána jako funkce příkonu, sonikovaného objemu a velikosti aglomerátů.
Kusters et al. (1994) zkoumali ultrazvukem asistovanou fragmentaci aglomerátů ve vztahu k jejich spotřebě energie. Výsledky výzkumníků "naznačují, že ultrazvuková disperzní technika může být stejně účinná jako konvenční techniky broušení. Průmyslová praxe ultrazvukové disperze (např. větší sondy, kontinuální průchodnost suspenze) může tyto výsledky poněkud změnit, ale celkově se očekává, že měrná spotřeba energie není důvodem pro výběr této techniky kominátoru, ale spíše její schopnost produkovat extrémně jemné (submikronové) částice. [Kusters et al. 1994] Speciálně pro erodující prášky, jako jsou Křemen nebo zirkon, bylo zjištěno, že specifická energie potřebná na jednotku práškové hmotnosti je u ultrazvukového mletí nižší než u konvenčních metod mletí. Ultrazvuku ovlivňuje částice nejen mletím a mletím, ale také leštěním pevných látek. Tímto způsobem lze dosáhnout vysoké kulovitosti částic.

Sonofragmentace pro krystalizaci nanomateriálů

"I když není pochyb o tom, že v kalech molekulárních krystalů ozářených ultrazvukem dochází ke srážkám mezi částicemi, nejsou dominantním zdrojem fragmentace. Na rozdíl od molekulárních krystalů nejsou kovové částice přímo poškozeny rázovými vlnami a mohou být ovlivněny pouze intenzivnějšími (ale mnohem vzácnějšími) srážkami mezi částicemi. Posun v dominantních mechanismech pro sonikaci kovových prášků oproti aspirinovým suspenzím zdůrazňuje rozdíly ve vlastnostech kujných kovových částic a drobivých 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 rozsahu pod 100 nm) ze vstupu o velikosti mikrometru (např. 70-80 μm) pomocí sonofragmentace. Pozorovali významnou změnu barvy a tvaru keramických částic oxidu hlinitého v důsledku sonofragmentace. Částice v rozsahu mikronů, submikronů a nano lze snadno získat sonikací s vysokým výkonem. Kulovitost částic se zvyšovala s prodlužujícím se retenčním časem v akustickém poli.

Disperze v povrchově aktivní látce

Vzhledem k účinnému ultrazvukovému rozbíjení částic je použití povrchově aktivních látek nezbytné, aby se zabránilo deaglomeraci získaných submikronových a nanočástic. Čím menší je velikost částic, tím vyšší je apektační poměr povrchu, který musí být pokryt povrchově aktivní látkou, aby se udržely v suspenzi a zabránilo se koagualaci částic (aglomeraci). Výhoda ultrazvuku spočívá v dispergačním efektu: Současně s mletím a fragmentací ultrazvuky dispergovaly rozemleté fragmenty částic s povrchově aktivní látkou, takže aglomerace nanočástic je (téměř) úplně zabráněna.

Průmyslová výroba

Aby bylo možné dodávat na trh vysoce kvalitní nano materiál, který vyjadřuje mimořádné funkce, je zapotřebí spolehlivé zpracovatelské zařízení. Ultrasonicators s výkonem až 16 kW na jednotku, které jsou shlukovatelné, umožňují zpracování prakticky neomezených objemových proudů. Díky plně lineární škálovatelnosti ultrazvukových procesů lze ultrazvukové aplikace bez rizika testovat v laboratoři, optimalizovat ve stolním měřítku a poté bez problémů implementovat do výrobní linky. Vzhledem k tomu, že ultrazvukové zařízení nevyžaduje velký prostor, lze jej dokonce dodatečně namontovat do stávajících procesních toků. Obsluha je snadná a lze ji sledovat a spouštět pomocí dálkového ovladače, zatímco údržba ultrazvukového systému je téměř zanedbatelná.

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

Literatura / Reference