Sonofragmentaatio - tehon ultraäänen vaikutus hiukkasten rikkoutumiseen

Sonofragmentaatio kuvaa hiukkasten hajoamista nanokokoisiksi fragmenteiksi suuritehoisella ultraäänellä. Toisin kuin tavallinen ultraääni deagglomeration ja jyrsintä – jossa hiukkaset pääasiassa jauhetaan ja erotetaan hiukkasten välisellä törmäyksellä – , sono-fragementaatio erottuu hiukkasten ja iskun aallon suorasta vuorovaikutuksesta. Suuritehoinen? matalataajuinen ultraääni luo kavitaatiota ja siten voimakkaita leikkausvoimia nesteissä. Kavitaatiokuplan romahtamisen ja lajien välisen törmäyksen äärimmäiset olosuhteet jauhavat hiukkaset erittäin hienoksi materiaaliksi.

Nanohiukkasten ultraäänituotanto ja valmistus

Tehon ultraäänen vaikutukset nanomateriaalien tuotantoon ovat hyvin tunnettuja: dispergointi, deagglomeraatio ja jyrsintä & Hionta sekä pirstoutuminen sonikaatiolla ovat usein ainoa tehokas tapa hoitaa nano-hiukkaset. Tämä pätee erityisesti erittäin hienoihin nanomateriaaleihin, joilla on erityisiä toimintoja, kuten nanokoossa, hiukkasten ainutlaatuiset ominaisuudet ilmaistaan. Nanomateriaalin luomiseksi, jolla on erityisiä toimintoja, on varmistettava tasainen ja luotettava sonikaatioprosessi. Hielscher toimittaa ultraäänilaitteita laboratoriomittakaavasta täyteen kaupalliseen tuotantokokoon.

Sono-pirstoutuminen kavitaatiolla

Voimakkaiden ultraäänivoimien syöttö nesteisiin luo äärimmäisiä olosuhteita. Kun ultraääni levittää nestemäistä väliainetta, ultraääniaallot johtavat vuorotteleviin puristus- ja harvinaisuussykleihin (korkeapaine- ja matalapainesyklit). Matalapainesyklien aikana nesteeseen syntyy pieniä tyhjiökuplia. Nämä kavitaatio Kuplat kasvavat useiden matalapainesyklien aikana, kunnes ne saavuttavat koon, jolloin ne eivät pysty absorboimaan enemmän energiaa. Tässä maksimaalisen absorboituneen energian ja kuplan koon tilassa kavitaatiokupla romahtaa väkivaltaisesti ja luo paikallisesti äärimmäisiä olosuhteita. Johtuen luhistumisesta kavitaatio Kuplat, erittäin korkeat lämpötilat noin 5000K ja paineet noin 2000atm saavutetaan paikallisesti. Luhistuminen johtaa nestesuihkuihin, joiden nopeus on jopa 280 m? s (≈ 1000 km? h). Sono-fragmentaatio kuvaa näiden voimakkaiden voimien käyttöä hiukkasten pirstomiseksi pienempiin ulottuvuuksiin submikroni- ja nanoalueella. Etenevällä sonikaatiolla hiukkasten muoto muuttuu kulmasta pallomaiseksi, mikä tekee hiukkasista arvokkaampia. Sonofragmentaation tulokset ilmaistaan pirstoutumisnopeutena, jota kuvataan tehonsyötön, sonikoidun tilavuuden ja agglomeraattien koon funktiona.
Kusters et al. (1994) investigated the ultrasonically assisted fragmentation of agglomerates in relation to its energy consumption. The researchers’ results „indicate that the ultrasonic dispersion technique can be as efficient as conventional grinding techniques. The industrial practice of ultrasonic dispersion (e.g. larger probes, continuous throughput of suspension) may alter these results somewhat, but over-all it is expected that the specific energy consumption is not the reason for the selection of this comminutron technique but rather its ability to produce extremely fine (submicron) particles.” [Kusters et al. 1994] Especially for eroding powders such as Piidioksidi tai zirkonia, jauhemassayksikköä kohti tarvittavan ominaisenergian havaittiin olevan pienempi ultraäänihionnalla kuin tavanomaisilla jauhatusmenetelmillä. Ultrasonication vaikuttaa hiukkasiin paitsi jyrsimällä ja jauhamalla, myös kiillottamalla kiintoaineita. Siten voidaan saavuttaa hiukkasten suuri sfäärisyys.

Sono-fragmentaatio nanomateriaalien kiteyttämiseksi

„While there is little doubt that interparticle collisions do occur in slurries of molecular crystals irradiated with ultrasound, they are not the dominant source of fragmentation. In contrast to molecular crystals, metal particles are not damaged by shock waves directly and can be affected only by the more intense (but much rarer) interparticle collisions. The shift in dominant mechanisms for sonication of metal powders versus aspirin slurries highlights the differences in properties of malleable metallic particles and friable molecular crystals.” [Zeiger/ Suslick 2011, 14532]

Aspiriinihiukkasten sonofragmentaatio [Zeiger/ Suslick 2011]

(2008) tutkivat erittäin puhtaiden submikrometrin alumiinioksidikeraamisten hiukkasten valmistusta (pääasiassa alle 100 nm: n alueella) mikrometrin kokoisesta syötteestä (esim. 70-80 μm) sonofragmentaation avulla. He havaitsivat merkittävän muutoksen alumiinioksidikeraamisten hiukkasten värissä ja muodossa sono-pirstoutumisen seurauksena. Mikroni-, submikroni- ja nanokokoiset hiukkaset voidaan helposti saada suuritehoisella sonikaatiolla. Hiukkasten pallomaisuus lisääntyi akustisen kentän retentioajan pidentyessä.

Dispersio pinta-aktiivisessa aineessa

Due to the effective ultrasonic particle breakage, the use of surfactants is essential to prevent deagglomeration of the sub-micron and nano-sized particles obtained. The smaller the particle size, the higher the apect ratio of surface area, which must be covered with surfactant to keep them in suspension and to avoid particles’ coagualation (agglomeration). The advantage of ultrasonication lays in the dispersing effect: Simultaneously to the grinding and fragmentation, ultrasounds dispersed the grinded particle fragments with the surfactant so that agglomeration oft he nano particles is (almost) completely avoided.

teollisuustuotanto

Markkinoiden palvelemiseksi korkealaatuisella nanomateriaalilla, joka ilmaisee poikkeuksellisia toimintoja, tarvitaan luotettavia käsittelylaitteita. Ultraäänilaitteet, joiden teho on enintään 16 kW yksikköä kohti ja jotka ovat klusteroitavia, mahdollistavat käytännössä rajoittamattomien volyymivirtojen käsittelyn. Ultraääniprosessien täysin lineaarisen skaalautuvuuden vuoksi ultraäänisovelluksia voidaan testata riskittömästi laboratoriossa, optimoida penkki-top-mittakaavassa ja toteuttaa sitten ongelmitta tuotantolinjalle. Koska ultraäänilaite ei vaadi suurta tilaa, se voidaan jopa jälkiasentaa olemassa oleviin prosessivirtoihin. Toiminta on helppoa ja sitä voidaan valvoa ja suorittaa kaukosäätimellä, kun taas ultraäänijärjestelmän huolto on lähes laiminlyötävissä.

Hiukkaskokojakauma ja SEM-kuvat Bi2Te3-pohjaisesta seoksesta ennen ultraäänijyrsintää ja sen jälkeen. a – Hiukkaskokojakauma; b – SEM-kuva ennen ultraäänijyrsintää; c – SEM-kuva ultraäänijyrsinnän jälkeen 4 tuntia; d – SEM-kuva ultraäänijyrsinnän jälkeen 8 tuntia.Lähde: Marquez-Garcia et al. 2015.

Kirjallisuus? Viitteet