Sonofragmentación – El efecto de los ultrasonidos en la ruptura de partículas

La sonofragmentación describe la rotura de partículas en fragmentos de tamaño nanométrico mediante ultrasonidos de alta potencia. A diferencia de la desaglomeración y la molienda por ultrasonidos habituales – donde las partículas se trituran principalmente y se separan por colisión entre partículas – , la sono-fragmentación se distingue por la interacción directa entre la partícula y la onda de choque. Los ultrasonidos de alta potencia y baja frecuencia crean cavitación y, por tanto, intensas fuerzas de cizallamiento en los líquidos. Las condiciones extremas de colapso de burbujas cavitacionales y colisión interparticular trituran las partículas hasta obtener un material de tamaño muy fino.

Producción y preparación de nanopartículas por ultrasonidos

Los efectos de los ultrasonidos de potencia para la producción de nanomateriales son bien conocidos: Dispersión, desaglomeración y molienda & Tanto la trituración como la fragmentación por sonicación son a menudo el único método eficaz para tratar nano partículas. Esto es especialmente cierto cuando se trata de nanomateriales muy finos con funcionalidades especiales, ya que con el tamaño nanométrico se expresan características de partícula únicas. Para crear nanomateriales con funcionalidades específicas, debe garantizarse un proceso de sonicación uniforme y fiable. Hielscher suministra equipos de ultrasonidos desde escala de laboratorio hasta tamaño de producción comercial completa.

Sono-fragmentación por cavitación

La entrada de potentes fuerzas ultrasónicas en los líquidos crea condiciones extremas. Cuando los ultrasonidos se propagan por un medio líquido, las ondas ultrasónicas dan lugar a ciclos alternos de compresión y rarefacción (ciclos de alta y baja presión). Durante los ciclos de baja presión, surgen pequeñas burbujas de vacío en el líquido. Estas cavitación Las burbujas crecen a lo largo de varios ciclos de baja presión hasta que alcanzan un tamaño en el que no pueden absorber más energía. En este estado de máxima energía absorbida y tamaño de burbuja, la burbuja de cavitación colapsa violentamente y crea localmente condiciones extremas. Debido a la implosión de la cavitación burbujas, se alcanzan localmente temperaturas muy elevadas de unos 5000K y presiones de unos 2000atm. La implosión da lugar a chorros de líquido de hasta 280 m/s (≈1000km/h) de velocidad. La sono-fragmentación describe el uso de estas intensas fuerzas para fragmentar las partículas a dimensiones más pequeñas en el rango sub-micrónico y nano. Con una sonicación progresiva, la forma de las partículas pasa de angular a esférica, lo que las hace más valiosas. Los resultados de la sonofragmentación se expresan como tasa de fragmentación, que se describe en función de la potencia de entrada, el volumen sonicado y el tamaño de los aglomerados.
Kusters et al. (1994) investigaron la fragmentación de aglomerados asistida por ultrasonidos en relación con su consumo de energía. Los resultados de los investigadores "indican que la técnica de dispersión por ultrasonidos puede ser tan eficaz como las técnicas de trituración convencionales. La práctica industrial de la dispersión ultrasónica (por ejemplo, sondas más grandes, paso continuo de la suspensión) puede alterar algo estos resultados, pero en general se espera que el consumo específico de energía no sea la razón de la selección de esta técnica de conminutrón, sino más bien su capacidad para producir partículas extremadamente finas (submicrónicas)." [Kusters et al. 1994] Especialmente para polvos erosionables como Sílice o circonio, se comprobó que la energía específica requerida por unidad de masa de polvo era menor mediante molienda ultrasónica que con los métodos de molienda convencionales. La ultrasonicación afecta a las partículas no sólo moliendo y triturando, sino también puliendo los sólidos. De este modo, se puede conseguir una elevada esfericidad de las partículas.

Sono-fragmentación para la cristalización de nanomateriales

"Aunque no cabe duda de que se producen colisiones entre partículas en los lodos de cristales moleculares irradiados con ultrasonidos, no son la fuente dominante de fragmentación. A diferencia de los cristales moleculares, las partículas metálicas no resultan dañadas directamente por las ondas de choque y sólo pueden verse afectadas por las colisiones interpartículas más intensas (pero mucho más raras). El cambio en los mecanismos dominantes para la sonicación de polvos metálicos frente a los lodos de aspirina pone de relieve las diferencias en las propiedades de las partículas metálicas maleables y los cristales moleculares friables." [Zeiger/ Suslick 2011, 14532]

Sonofragmentación de partículas de aspirina [Zeiger/ Suslick 2011].

Gopi et al. (2008) investigaron la fabricación de partículas cerámicas de alúmina submicrométricas de alta pureza (predominantemente en el rango inferior a 100 nm) a partir de alimentación de tamaño micrométrico (por ejemplo, 70-80 μm) mediante sonofragmentación. Observaron un cambio significativo en el color y la forma de las partículas cerámicas de alúmina como resultado de la sonofragmentación. Mediante sonicación de alta potencia pueden obtenerse fácilmente partículas de tamaño micrométrico, submicrométrico y nanométrico. La esfericidad de las partículas aumentó al aumentar el tiempo de retención en el campo acústico.

Dispersión en tensioactivo

Debido a la eficaz rotura de partículas por ultrasonidos, el uso de tensioactivos es esencial para evitar la desaglomeración de las partículas submicrónicas y nanométricas obtenidas. Cuanto menor es el tamaño de las partículas, mayor es la proporción de superficie que debe cubrirse con tensioactivo para mantenerlas en suspensión y evitar la coagulación (aglomeración) de las partículas. La ventaja de la ultrasonicación reside en el efecto dispersante: Simultáneamente a la trituración y fragmentación, los ultrasonidos dispersan los fragmentos de partículas trituradas con el tensioactivo, de modo que se evita (casi) por completo la aglomeración de las nanopartículas.

producción industrial

Para suministrar al mercado nanomateriales de alta calidad que expresen funcionalidades extraordinarias, se necesitan equipos de procesamiento fiables. Los ultrasonidos de hasta 16 kW por unidad, que se pueden agrupar, permiten procesar flujos de volumen prácticamente ilimitado. Gracias a la escalabilidad totalmente lineal de los procesos ultrasónicos, las aplicaciones ultrasónicas pueden probarse sin riesgos en laboratorio, optimizarse a escala de sobremesa e implantarse sin problemas en la línea de producción. Dado que el equipo de ultrasonidos no requiere un gran espacio, puede incluso instalarse posteriormente en procesos ya existentes. El funcionamiento es sencillo y puede supervisarse y ejecutarse mediante control remoto, mientras que el mantenimiento de un sistema de ultrasonidos es prácticamente despreciable.

Distribución del tamaño de las partículas e imágenes SEM de la aleación basada en Bi2Te3 antes y después del fresado ultrasónico. a – Distribución granulométrica; b – Imagen SEM antes del fresado ultrasónico; c – Imagen SEM tras el fresado ultrasónico durante 4 h; d – Imagen SEM tras el fresado ultrasónico durante 8 h.
fuente: Márquez-García et al. 2015.

Literatura / Referencias