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

Sonofragmentation describe la rotura de partículas en fragmentos de tamaño nanométrico por ultrasonido de alta potencia. En contraste con la desaglomeración ultrasónica común y fresado – donde las partículas se muelen principalmente y se separaron por colisión entre partículas – , Sono-fragementation se distingue por la interacción directa entre las partículas y onda de choque. De alta potencia de ultrasonido de frecuencia / baja crea cavitación y fuerzas de cizallamiento intensas por lo tanto en líquidos. Las condiciones extremas de colapso de la burbuja de cavitación y de la colisión interparticular moler partículas de materiales de tamaño muy fino.

Ultrasonic producción y preparación de Nano Partículas

Los efectos de los ultrasonidos de potencia para la producción de materiales nano son bien conocidos: Dispersión, desaglomeración y Milling & Molienda, así como la fragmentación por sonicación son a menudo el único método eficaz para tratar nano partículas. Esto es especialmente cierto cuando se trata de materiales nano muy finas con funcionalidades especiales como con características de las partículas únicas de tamaño nano se expresan. Para crear materiales nano con funcionalidades específicas, un proceso de sonicación uniforme y fiable debe estar garantizada. Hielscher suministra equipos de ultrasonidos de escala de laboratorio a tamaño completo de producción comercial.

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Homogeneizador industrial por ultrasonidos para la molienda intensiva y la fragmentación de partículas.

El MultiSonoReactor MSR-4 es un homogeneizador industrial en línea adecuado para la fragmentación y molienda de partículas y nanomateriales.

Sono-Fragmentación por cavitación

La entrada de las fuerzas de ultrasonidos de gran alcance en líquidos crea condiciones extremas. Cuando el ultrasonido se propaga un medio líquido, las ondas ultrasónicas resultan en compresión y los ciclos de rarefacción (alta presión y los ciclos de baja presión) alterna. Durante los ciclos de baja presión, surgen pequeñas burbujas Vaccum en el líquido. Estas cavitación burbujas crecen durante varios ciclos de baja presión hasta lograr un tamaño cuando no pueden absorber más energía. En este estado de máxima absorbida energía y tamaño de las burbujas, el colapso de la burbuja de cavitación con violencia y crea localmente condiciones extremas. Debido a la implosión de la cavitación burbujas, muy altas temperaturas de aprox. 5000 K y presiones de aprox. 2000atm se alcanzan localmente. La implosión da como resultado chorros de líquido de hasta 280 m / s (≈1000km / h) de velocidad. Sono-fragmentation describe el uso de estas fuerzas intensas para fragmentar partículas a dimensiones más pequeñas en el rango submicrónico y nano. Con una sonicación progresiva, la forma de la partícula cambia de angular a esférica, lo que hace que las partículas sean más valiosas. Los resultados de la fragmentación sonora se expresan como la tasa de fragmentación que se describe en función de la entrada de potencia, el volumen sonicado y el tamaño de los aglomerados.
Kusters et al (1994) investigaron la fragmentación asistida por ultrasonidos de los aglomerados en relación con su consumo de energía. Los resultados de los investigadores "indican que la técnica de dispersión ultrasónica puede ser tan eficiente como las técnicas convencionales de molienda. La práctica industrial de la dispersión ultrasónica (por ejemplo, sondas más grandes, rendimiento continuo de la suspensión) puede alterar un poco estos resultados, pero sobre todo 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 erosionantes tales como sílice o zirconia, la energía específica requerida por unidad de masa de polvo se encontró que era inferior por molienda ultrasónica que la de los métodos de molienda convencionales. Ultrasonidos afecta a las partículas no sólo por fresado y rectificado, sino también por el pulido los sólidos. De este modo, se puede lograr una alta esfericidad de las partículas.

Sono-fragmentación para la cristalización de Nanomateriales

“Si bien no hay duda de que las colisiones entre partículas se producen en suspensiones de cristales moleculares irradiados con ultrasonidos, no son la fuente dominante de fragmentación. En contraste con cristales moleculares, las partículas de metal no son dañados por ondas de choque directamente y pueden ser afectados sólo por la más intensa (pero mucho más raro) colisiones entre partículas. El cambio en mecanismos dominantes para la sonicación de polvos de metal frente a suspensiones de aspirina pone de relieve las diferencias en las propiedades de las partículas metálicas maleables y cristales moleculares friables “. [Zeiger / Suslick 2011, 14532]

Ultrasonic fragmentación de partículas de ácido acetilsalicílico

Sonofragmentation 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 un rango de menos de 100 nm) a partir de un alimento del tamaño de un micrómetro (por ejemplo, 70-80 μm) utilizando sonofragmentación. Observaron un cambio significativo en el color y la forma de las partículas cerámicas de alúmina como resultado de la sono-fragmentación. Las partículas en micrones, submicrones y nanoescala pueden obtenerse fácilmente mediante sonicación de alta potencia. La esfericidad de las partículas aumenta con el aumento del tiempo de retención en el campo acústico.

Dispersión en surfactante

Debido a la rotura de partículas de ultrasonidos eficaz, el uso de tensioactivos es esencial para prevenir la desaglomeración de la sub-micras y partículas de tamaño nanométrico obtenido. Cuanto menor sea el tamaño de partícula, mayor será la relación apect de área de superficie, que debe ser cubierto con un tensioactivo para mantenerlos en suspensión y para evitar coagualation partículas (aglomeración). La ventaja de ultrasonicación establece en el efecto dispersante: Simultáneamente a la molienda y la fragmentación, ultrasonidos dispersan los fragmentos de partículas molidas con el agente tensioactivo de manera que la aglomeración oft él nano partículas es (casi) completamente evitado.

Los ultrasonidos UP200Ht y UP200St son ambos potentes modelos de homogeneizador de 200W para la preparación, emulsificación, dispersión, extracción y química de las muestras.

UP200Ht - Homogeneizador ultrasónico de mano


Los homogeneizadores ultrasónicos son eficaces y fiables para la dispersión de nanotubos de carbono en agua o disolventes orgánicos.

Los homogeneizadores ultrasónicos son eficaces y fiables para la dispersión de nanopartículas en agua o disolventes. La imagen muestra el ultrasonido de laboratorio UP100H.

Producción industrial

Para servir al mercado con nano material de alta calidad que expresa funcionalidades extraordinarias, se requiere un equipo de procesamiento confiable. Ultrasonicadores con hasta 16kW por unidad que son agrupables permiten el procesamiento de flujos de volumen virtualmente ilimitados. Debido a la escalabilidad completamente lineal de los procesos ultrasónicos, las aplicaciones ultrasónicas pueden probarse sin riesgos en el laboratorio, optimizarse en una báscula de mesa y luego implementarse sin problemas en la línea de producción. Como el equipo ultrasónico no requiere un gran espacio, puede incluso instalarse en las corrientes de proceso existentes. La operación es fácil y se puede controlar y ejecutar a través del control remoto, mientras que el mantenimiento de un sistema ultrasónico es casi despreciable.

El ultrasonido de potencia se utiliza con éxito a escala industrial para la molienda y la fragmentación de partículas.

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

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Literatura / Referencias

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