Sonofragmentering – Effektultralydens virkning på partikelbrud

Sonofragmentering beskriver nedbrydning af partikler til fragmenter i nanostørrelse ved hjælp af ultralyd med høj effekt. I modsætning til almindelig deagglomerering og formaling med ultralyd – hvor partikler hovedsageligt findeles og adskilles gennem kollisioner mellem partikler – er sonofragmentering kendetegnet ved den direkte vekselvirkning mellem partikel og chokbølge. Ultralyd med høj effekt og lav frekvens skaber kavitation og dermed intense forskydningskræfter i væsker. De ekstreme forhold ved kavitationsboblers kollaps og kollisioner mellem partikler findeler partikler til meget fint materiale.

Fremstilling og præparation af nanopartikler med ultralyd

Effektultralydens virkninger ved fremstilling af nanomaterialer er velkendte: Dispergering, deagglomerering og formaling samt fragmentering ved sonikering er ofte den eneste effektive metode til at behandle nanopartikler. Dette gælder især meget fine nanomaterialer med særlige funktionaliteter, da unikke partikelegenskaber kommer til udtryk i nanostørrelse. For at fremstille nanomaterialer med specifikke funktionaliteter skal der sikres en ensartet og pålidelig sonikeringsproces. Hielscher leverer ultralydsudstyr fra laboratorieskala til fuld kommerciel produktionsskala.

Sonofragmentering ved kavitation

Tilførsel af kraftige ultralydskræfter til væsker skaber ekstreme forhold. Når ultralyd forplanter sig gennem et flydende medium, medfører ultralydsbølgerne skiftende kompressions- og ekspansionscyklusser (højtryks- og lavtrykscyklusser). Under lavtrykscyklusserne opstår der små vakuumbobler i væsken. Disse kavitationsbobler vokser over flere lavtrykscyklusser, indtil de når en størrelse, hvor de ikke kan absorbere mere energi. I denne tilstand med maksimal absorberet energi og boblestørrelse kollapser kavitationsboblen voldsomt og skaber lokalt ekstreme forhold. Som følge af implosionen af kavitationsboblerne opnås der lokalt meget høje temperaturer på ca. 5000K og tryk på ca. 2000atm. Implosionen medfører væskestråler med hastigheder på op til 280m/s (≈1000km/h). Sonofragmentering beskriver anvendelsen af disse intense kræfter til at fragmentere partikler til mindre dimensioner i submikrometer- og nanometerområdet. Efterhånden som sonikeringen skrider frem, ændres partikelformen fra kantet til sfærisk, hvilket gør partiklerne mere værdifulde. Resultaterne af sonofragmentering udtrykkes som en fragmenteringshastighed, der beskrives som en funktion af tilført effekt, sonikeret volumen og agglomeraternes størrelse.
Kusters et al. (1994) undersøgte ultralydsassisteret fragmentering af agglomerater i relation til energiforbruget. Forskernes resultater „viser, at ultralydsdispergering kan være lige så effektiv som konventionelle formalingsteknikker. Den industrielle anvendelse af ultralydsdispergering (f.eks. større prober og kontinuerlig gennemstrømning af suspension) kan ændre disse resultater noget, men overordnet forventes det, at det specifikke energiforbrug ikke er grunden til valget af denne findelingsteknik, men snarere dens evne til at producere ekstremt fine partikler (under en mikrometer).“ [Kusters et al. 1994] Især for pulvere, der nedbrydes ved erosion, såsom siliciumdioxid eller zirconiumdioxid viste det sig, at den specifikke energi, der kræves pr. masseenhed pulver, var lavere ved ultralydsformaling end ved konventionelle formalingsmetoder. Ultralydsbehandling påvirker partiklerne ved både formaling og polering af de faste stoffer. Derved kan der opnås en høj sfæricitet af partiklerne.

Sonofragmentering til krystallisation af nanomaterialer

„Selvom der kun er ringe tvivl om, at kollisioner mellem partikler forekommer i suspensioner af molekylære krystaller, der bestråles med ultralyd, er de ikke den dominerende årsag til fragmentering. I modsætning til molekylære krystaller beskadiges metalpartikler ikke direkte af chokbølger og kan kun påvirkes af de mere intense (men langt sjældnere) kollisioner mellem partikler. Skiftet i de dominerende mekanismer ved sonikering af metalpulvere sammenlignet med aspirinsuspensioner fremhæver forskellene mellem egenskaberne hos formbare metalpartikler og let smuldrende molekylære krystaller.“ [Zeiger/ Suslick 2011, 14532]

Sonofragmentering af aspirinpartikler [Zeiger/ Suslick 2011]

Gopi et al. (2008) undersøgte fremstillingen af højrene aluminiumoxidkeramiske partikler med størrelser under en mikrometer (overvejende i området under 100 nm) fra tilført materiale med partikelstørrelser i mikrometerområdet (f.eks. 70–80 μm) ved hjælp af sonofragmentering. De observerede en betydelig ændring i de aluminiumoxidkeramiske partiklers farve og form som følge af sonofragmentering. Partikler i mikrometer-, submikrometer- og nanometerområdet kan let opnås ved sonikering med høj effekt. Partiklernes sfæricitet steg med stigende opholdstid i det akustiske felt.

Dispergering i tensid

På grund af den effektive partikelnedbrydning med ultralyd er anvendelsen af tensider afgørende for at forhindre deagglomerering af de opnåede partikler i submikrometer- og nanometerstørrelse. Jo mindre partikelstørrelsen er, desto højere er overfladearealets aspektforhold, og overfladen skal dækkes med tensid for at holde partiklerne i suspension og undgå deres koagulation (agglomerering). Fordelen ved ultralydsbehandling ligger i den dispergerende virkning: Samtidig med formaling og fragmentering dispergerede ultralyden de formalede partikelfragmenter med tensidet, så agglomerering af nanopartiklerne (næsten) helt undgås.

Industriel produktion

For at forsyne markedet med nanomaterialer af høj kvalitet, der udviser ekstraordinære funktionaliteter, kræves der pålideligt procesudstyr. Ultralydsapparater med op til 16kW pr. enhed, som kan kombineres i klynger, muliggør behandling af praktisk taget ubegrænsede volumenstrømme. På grund af ultralydsprocessernes fuldstændigt lineære skalerbarhed kan ultralydsapplikationer testes risikofrit i laboratoriet, optimeres i bordskala og derefter implementeres i produktionslinjen uden problemer. Da ultralydsudstyret ikke kræver meget plads, kan det endda eftermonteres i eksisterende processtrømme. Betjeningen er nem og kan overvåges og udføres via fjernstyring, mens vedligeholdelsen af et ultralydssystem er næsten ubetydelig.

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

Litteratur / Referencer

• 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.