Κατακερματισμός με υπερήχους – Η επίδραση των υπερήχων ισχύος στη θραύση σωματιδίων

Ο κατακερματισμός με υπερήχους περιγράφει τη θραύση σωματιδίων σε θραύσματα νανομετρικού μεγέθους με υπερήχους υψηλής ισχύος. Σε αντίθεση με τη συνήθη αποσυσσωμάτωση και άλεση με υπερήχους – κατά τις οποίες τα σωματίδια κυρίως αλέθονται και διαχωρίζονται μέσω συγκρούσεων μεταξύ τους –, ο κατακερματισμός με υπερήχους διακρίνεται από την άμεση αλληλεπίδραση μεταξύ σωματιδίου και κρουστικού κύματος. Οι υπέρηχοι υψηλής ισχύος/χαμηλής συχνότητας δημιουργούν σπηλαίωση και, κατά συνέπεια, έντονες δυνάμεις διάτμησης στα υγρά. Οι ακραίες συνθήκες κατάρρευσης των φυσαλίδων σπηλαίωσης και συγκρούσεων μεταξύ σωματιδίων αλέθουν τα σωματίδια σε υλικό πολύ λεπτού μεγέθους.

Παραγωγή και παρασκευή νανοσωματιδίων με υπερήχους

Οι επιδράσεις των υπερήχων ισχύος στην παραγωγή νανοϋλικών είναι γνωστές: η διασπορά, η αποσυσσωμάτωση και η άλεση και λειοτρίβηση, καθώς και ο κατακερματισμός μέσω κατεργασίας με υπερήχους, αποτελούν συχνά τη μόνη αποτελεσματική μέθοδο για την επεξεργασία νανοσωματιδίων. Αυτό ισχύει ιδιαίτερα για πολύ λεπτά νανοϋλικά με ειδικές λειτουργικές ιδιότητες, καθώς στο νανομετρικό μέγεθος εκδηλώνονται μοναδικά χαρακτηριστικά των σωματιδίων. Για τη δημιουργία νανοϋλικού με συγκεκριμένες λειτουργικές ιδιότητες, πρέπει να διασφαλίζεται μια ομοιόμορφη και αξιόπιστη διαδικασία κατεργασίας με υπερήχους. Η Hielscher παρέχει εξοπλισμό υπερήχων από την εργαστηριακή κλίμακα έως την κλίμακα πλήρους εμπορικής παραγωγής.

Κατακερματισμός με υπερήχους μέσω σπηλαίωσης

Η εισαγωγή ισχυρών δυνάμεων υπερήχων στα υγρά δημιουργεί ακραίες συνθήκες. Όταν οι υπέρηχοι διαδίδονται σε ένα υγρό μέσο, τα υπερηχητικά κύματα προκαλούν εναλλασσόμενους κύκλους συμπίεσης και αραίωσης (κύκλους υψηλής και χαμηλής πίεσης). Κατά τους κύκλους χαμηλής πίεσης, σχηματίζονται μικρές φυσαλίδες κενού στο υγρό. Αυτές οι φυσαλίδες σπηλαίωσης μεγαλώνουν κατά τη διάρκεια αρκετών κύκλων χαμηλής πίεσης, μέχρι να φτάσουν σε μέγεθος στο οποίο δεν μπορούν να απορροφήσουν περισσότερη ενέργεια. Σε αυτή την κατάσταση μέγιστης απορροφημένης ενέργειας και μέγιστου μεγέθους, η φυσαλίδα σπηλαίωσης καταρρέει βίαια και δημιουργεί τοπικά ακραίες συνθήκες. Λόγω της ενδόρρηξης των φυσαλίδων σπηλαίωσης , επιτυγχάνονται τοπικά πολύ υψηλές θερμοκρασίες περίπου 5000K και πιέσεις περίπου 2000atm. Η ενδόρρηξη δημιουργεί πίδακες υγρού με ταχύτητα έως και 280m/s (≈1000km/h). Ο κατακερματισμός με υπερήχους περιγράφει τη χρήση αυτών των έντονων δυνάμεων για τον κατακερματισμό σωματιδίων σε μικρότερες διαστάσεις, στην υπομικρομετρική και νανομετρική περιοχή. Καθώς προχωρά η κατεργασία με υπερήχους, το σχήμα των σωματιδίων μεταβάλλεται από γωνιώδες σε σφαιρικό, γεγονός που καθιστά τα σωματίδια πιο πολύτιμα. Τα αποτελέσματα του κατακερματισμού με υπερήχους εκφράζονται ως ρυθμός κατακερματισμού, ο οποίος περιγράφεται ως συνάρτηση της εισερχόμενης ισχύος, του όγκου που υποβάλλεται σε κατεργασία με υπερήχους και του μεγέθους των συσσωματωμάτων.
Οι Kusters et al. (1994) διερεύνησαν τον υποβοηθούμενο με υπερήχους κατακερματισμό συσσωματωμάτων σε σχέση με την κατανάλωση ενέργειάς του. Τα αποτελέσματα των ερευνητών «δείχνουν ότι η τεχνική διασποράς με υπερήχους μπορεί να είναι εξίσου αποδοτική με τις συμβατικές τεχνικές άλεσης. Η βιομηχανική εφαρμογή της διασποράς με υπερήχους (π.χ. μεγαλύτεροι καθετήρες, συνεχής διέλευση εναιωρήματος) ενδέχεται να μεταβάλει κάπως αυτά τα αποτελέσματα, αλλά συνολικά αναμένεται ότι η ειδική κατανάλωση ενέργειας δεν αποτελεί τον λόγο επιλογής αυτής της τεχνικής κατάτμησης, αλλά ότι ο λόγος είναι μάλλον η ικανότητά της να παράγει εξαιρετικά λεπτά (υπομικρομετρικά) σωματίδια.» [Kusters et al. 1994] Ειδικά για σκόνες που φθείρονται με διάβρωση, όπως το διοξείδιο του πυριτίου ή το διοξείδιο του ζιρκονίου, διαπιστώθηκε ότι η ειδική ενέργεια που απαιτείται ανά μονάδα μάζας σκόνης είναι χαμηλότερη κατά την άλεση με υπερήχους από ό,τι με τις συμβατικές μεθόδους άλεσης. Η κατεργασία με υπερήχους επηρεάζει τα σωματίδια όχι μόνο μέσω άλεσης και λειοτρίβησης, αλλά και μέσω στίλβωσης των στερεών. Έτσι, μπορεί να επιτευχθεί υψηλή σφαιρικότητα των σωματιδίων.

Κατακερματισμός με υπερήχους για την κρυστάλλωση νανοϋλικών

«Αν και δεν υπάρχει μεγάλη αμφιβολία ότι συγκρούσεις μεταξύ σωματιδίων πράγματι συμβαίνουν σε πολφούς μοριακών κρυστάλλων που ακτινοβολούνται με υπερήχους, δεν αποτελούν την κυρίαρχη πηγή κατακερματισμού. Σε αντίθεση με τους μοριακούς κρυστάλλους, τα μεταλλικά σωματίδια δεν υφίστανται βλάβη απευθείας από τα κρουστικά κύματα και μπορούν να επηρεαστούν μόνο από τις εντονότερες (αλλά πολύ σπανιότερες) συγκρούσεις μεταξύ σωματιδίων. Η μεταβολή των κυρίαρχων μηχανισμών κατά την κατεργασία με υπερήχους μεταλλικών σκονών σε σύγκριση με πολφούς ασπιρίνης αναδεικνύει τις διαφορές στις ιδιότητες των ελατών μεταλλικών σωματιδίων και των εύθρυπτων μοριακών κρυστάλλων.» [Zeiger/ Suslick 2011, 14532]

Κατακερματισμός σωματιδίων ασπιρίνης με υπερήχους [Zeiger/ Suslick 2011]

Οι Gopi et al. (2008) διερεύνησαν την παρασκευή κεραμικών σωματιδίων αλουμίνας υψηλής καθαρότητας και υπομικρομετρικού μεγέθους (κυρίως στην περιοχή κάτω των 100 nm) από υλικό τροφοδοσίας μικρομετρικού μεγέθους (π.χ., 70–80 μm) με τη χρήση κατακερματισμού με υπερήχους. Παρατήρησαν σημαντική μεταβολή στο χρώμα και στο σχήμα των κεραμικών σωματιδίων αλουμίνας ως αποτέλεσμα του κατακερματισμού με υπερήχους. Σωματίδια στη μικρομετρική, υπομικρομετρική και νανομετρική περιοχή μεγέθους μπορούν να ληφθούν εύκολα με κατεργασία με υπερήχους υψηλής ισχύος. Η σφαιρικότητα των σωματιδίων αυξανόταν με την αύξηση του χρόνου παραμονής στο ακουστικό πεδίο.

Διασπορά σε επιφανειοδραστική ουσία

Λόγω της αποτελεσματικής θραύσης σωματιδίων με υπερήχους, η χρήση επιφανειοδραστικών ουσιών είναι απαραίτητη για την αποτροπή της αποσυσσωμάτωσης των υπομικρομετρικών και νανομετρικών σωματιδίων που λαμβάνονται. Όσο μικρότερο είναι το μέγεθος των σωματιδίων, τόσο υψηλότερος είναι ο λόγος διαστάσεων της επιφάνειας, η οποία πρέπει να καλύπτεται με επιφανειοδραστική ουσία ώστε να διατηρούνται τα σωματίδια σε εναιώρημα και να αποφεύγεται η πήξη (συσσωμάτωσή) τους. Το πλεονέκτημα της κατεργασίας με υπερήχους έγκειται στη δράση διασποράς: ταυτόχρονα με την άλεση και τον κατακερματισμό, οι υπέρηχοι διασπείρουν τα αλεσμένα θραύσματα σωματιδίων με την επιφανειοδραστική ουσία, έτσι ώστε να αποφεύγεται (σχεδόν) πλήρως η συσσωμάτωση των νανοσωματιδίων.

Βιομηχανική παραγωγή

Για την τροφοδοσία της αγοράς με νανοϋλικό υψηλής ποιότητας που παρουσιάζει εξαιρετικές λειτουργικές ιδιότητες, απαιτείται αξιόπιστος εξοπλισμός επεξεργασίας. Οι συσκευές υπερήχων με ισχύ έως και 16kW ανά μονάδα, οι οποίες μπορούν να συνδυαστούν σε συστοιχίες, επιτρέπουν την επεξεργασία ροών πρακτικά απεριόριστου όγκου. Λόγω της πλήρως γραμμικής δυνατότητας κλιμάκωσης των διεργασιών υπερήχων, οι εφαρμογές υπερήχων μπορούν να δοκιμαστούν χωρίς κίνδυνο στο εργαστήριο, να βελτιστοποιηθούν σε επιτραπέζια κλίμακα και στη συνέχεια να ενσωματωθούν χωρίς προβλήματα στη γραμμή παραγωγής. Καθώς ο εξοπλισμός υπερήχων δεν απαιτεί μεγάλο χώρο, μπορεί ακόμη και να προστεθεί εκ των υστέρων σε υπάρχουσες ροές διεργασίας. Η λειτουργία είναι εύκολη και μπορεί να παρακολουθείται και να ελέγχεται μέσω τηλεχειρισμού, ενώ η συντήρηση ενός συστήματος υπερήχων είναι σχεδόν αμελητέα.

Κατανομή μεγέθους σωματιδίων και εικόνες SEM κράματος με βάση το Bi2Te3 πριν και μετά την άλεση με υπερήχους. a – Κατανομή μεγέθους σωματιδίων· b – Εικόνα SEM πριν από την άλεση με υπερήχους· c – Εικόνα SEM μετά από άλεση με υπερήχους για 4 h· d – Εικόνα SEM μετά από άλεση με υπερήχους για 8 h.
πηγή: Marquez-Garcia et al. 2015.

Βιβλιογραφία / Αναφορές

• 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.