Sonofragmentering – effekten af Power ultralyd på partikelbrud

Sonofragmentering beskriver brud af partikler til fragmenter i nanostørrelse ved ultralyd med høj effekt. I modsætning til den almindelige ultralydsdeagglomerering og fræsning – hvor partikler hovedsageligt slibes og adskilles ved kollision mellem partikler – , sono-fragementation er kendetegnet ved den direkte interaktion mellem partikel og chokbølge. Ultralyd med høj effekt/lavfrekvent ultralyd skaber kavitation og dermed intense forskydningskræfter i væsker. De ekstreme forhold med kavitationsboblekollaps og interparticular kollision sliber partikler til meget fint materiale.

Ultralydsproduktion og fremstilling af nanopartikler

Virkningerne af ultralyd til produktion af nanomaterialer er velkendte: Dispergering, deagglomerering og fræsning & Slibning såvel som fragmentering ved sonikering er ofte den eneste effektive metode til behandling nanopartikler. Dette gælder især, når det drejer sig om meget fine nanomaterialer med særlige funktioner, da der med nanostørrelse udtrykkes unikke partikelegenskaber. For at skabe nanomateriale med specifikke funktionaliteter skal der sikres en jævn og pålidelig sonikeringsproces. Hielscher leverer ultralydsudstyr fra laboratorieskala til fuld kommerciel produktionsstørrelse.

Sono-fragmentering ved kavitation

Input af kraftige ultralydskræfter i væsker skaber ekstreme forhold. Når ultralyd forplanter et flydende medium, resulterer ultralydsbølgerne i skiftende kompressions- og sjældenhedscyklusser (højtryks- og lavtrykscyklusser). Under lavtrykscyklusserne opstår der små vakuumbobler i væsken. Disse Kavitation bobler vokser over flere lavtrykscyklusser, indtil de opnår en størrelse, hvor de ikke kan absorbere mere energi. Ved denne tilstand af maksimal absorberet energi og boblestørrelse kollapser kavitationsboblen voldsomt og skaber lokalt ekstreme forhold. På grund af implosionen af Kavitation bobler, meget høje temperaturer på ca. 5000K og tryk på ca. 2000atm nås lokalt. Implosionen resulterer i væskestråler med en hastighed på op til 280 m/s (≈1000 km/t). Sono-fragmentering beskriver brugen af disse intense kræfter til at fragmentere partikler til mindre dimensioner i sub-mikron- og nanoområdet. Med en progressiv sonikering skifter partikelformen fra kantet til sfærisk, hvilket gør partiklerne mere værdifulde. Resultaterne af sonofragmentering udtrykkes som fragmenteringshastighed, der beskrives som en funktion af strømindgang, sonikeret volumen og størrelsen af agglomeraterne.
Kusters et al. (1994) undersøgte den ultralydassisterede fragmentering af agglomerater i forhold til dets energiforbrug. Forskernes resultater "indikerer, at ultralydsdispersionsteknikken kan være lige så effektiv som konventionelle slibeteknikker. Den industrielle praksis med ultralydsdispersion (f.eks. større sonder, kontinuerlig gennemstrømning af suspension) kan ændre disse resultater noget, men generelt forventes det, at det specifikke energiforbrug ikke er årsagen til valget af denne finoritetsteknik, men snarere dens evne til at producere ekstremt fine (submikron) partikler." [Kusters et al. 1994] Især til eroderende pulvere som f.eks. Silica eller zirkoniumoxid, viste det sig, at den specifikke energi, der kræves pr. pulvermasseenhed, var lavere ved ultralydsslibning end ved konventionelle slibemetoder. Ultralydbehandling påvirker partiklerne ikke kun ved fræsning og slibning, men også ved polering af de faste stoffer. Derved kan der opnås en høj sfæricitet af partiklerne.

Sono-fragmentering til krystallisering af nanomaterialer

"Selvom der ikke er megen tvivl om, at interpartikelkollisioner forekommer i opslæmninger af molekylære krystaller bestrålet med ultralyd, er de ikke den dominerende kilde til fragmentering. I modsætning til molekylære krystaller beskadiges metalpartikler ikke direkte af chokbølger og kan kun påvirkes af de mere intense (men meget sjældnere) interpartikelkollisioner. Skiftet i dominerende mekanismer til sonikering af metalpulvere versus aspirinopslæmninger fremhæver forskellene i egenskaber af formbare metalliske partikler og sprøde molekylære krystaller." [Zeiger/ Suslick 2011, 14532]

Sonofragmentering af aspirinpartikler [Zeiger/Suslick 2011]

Gopi et al. (2008) undersøgte fremstillingen af keramiske partikler med høj renhed submikrometer aluminiumoxid (overvejende i området under 100 nm) fra foder i mikrometerstørrelse (f.eks. 70-80 μm) ved hjælp af sonofragmentering. De observerede en signifikant ændring i farve og form af aluminiumoxidkeramiske partikler som følge af sono-fragmentering. Partikler i mikron, submikron og nanostørrelse rækkevidde kan let opnås ved sonikering med høj effekt. Partiklernes sfæriicitet steg med stigende retentionstid i det akustiske felt.

Dispersion i overfladeaktivt stof

På grund af det effektive ultralydspartikelbrud er brugen af overfladeaktive stoffer afgørende for at forhindre deagglomerering af de opnåede sub-mikron og nano-størrelse partikler. Jo mindre partikelstørrelsen er, desto større er det faktiske forhold mellem overfladearealet, som skal dækkes med overfladeaktivt stof for at holde dem suspenderet og for at undgå partiklers koagualering (agglomeration). Fordelen ved ultralydbehandling ligger i dispergeringseffekten: Samtidig med slibning og fragmentering spredte ultralyd de slibede partikelfragmenter med det overfladeaktive stof, så agglomerering af nanopartiklerne (næsten) helt undgås.

industriel produktion

For at betjene markedet med nanomateriale af høj kvalitet, der udtrykker ekstraordinære funktioner, kræves pålideligt behandlingsudstyr. Ultralydapparater med op til 16 kW pr. Enhed, som kan klynges, giver mulighed for behandling af næsten ubegrænsede volumenstrømme. På grund af ultralydsprocessernes fuldt lineære skalerbarhed kan ultralydsapplikationer testes risikofrit i laboratoriet, optimeres i bænkskala og derefter implementeres uden problemer i produktionslinjen. Da ultralydsudstyret ikke kræver et stort rum, kan det endda eftermonteres i eksisterende processtrømme. Betjeningen er nem og kan overvåges og køres via fjernbetjening, mens vedligeholdelse af et ultralydssystem er næsten forsømt.

Partikelstørrelsesfordeling og SEM-billeder af Bi2Te3-baseret legering før og efter ultralydsfræsning. en – Partikelstørrelsesfordeling; b – SEM-billede før ultralydsfræsning; c – SEM-billede efter ultralydsfræsning i 4 timer; d – SEM-billede efter ultralydsfræsning i 8 timer.
kilde: Marquez-Garcia et al. 2015.

Litteratur / Referencer