Sonofragmentaatio – Tehoultraäänen vaikutus hiukkasten rikkoutumiseen

Sonofragmentaatio tarkoittaa hiukkasten hajottamista nanokokoisiksi fragmenteiksi suuritehoisella ultraäänellä. Toisin kuin tavanomaisessa ultraäänellä tehtävässä deagglomeroinnissa ja jauhatuksessa – joissa hiukkasia pääasiassa jauhetaan ja erotetaan toisistaan hiukkasten välisten törmäysten avulla – sonofragmentaatiolle on ominaista hiukkasen ja iskuaallon suora vuorovaikutus. Suuritehoinen, matalataajuinen ultraääni synnyttää kavitaatiota ja siten voimakkaita leikkausvoimia nesteissä. Kavitaatiokuplien luhistumisen ja hiukkasten välisten törmäysten äärimmäiset olosuhteet jauhavat hiukkaset erittäin hienojakoiseksi materiaaliksi.

Nanohiukkasten tuotanto ja valmistelu ultraäänellä

Tehoultraäänen vaikutukset nanomateriaalien tuotannossa tunnetaan hyvin: dispergointi, deagglomerointi ja jauhatus sekä fragmentointi ultraäänikäsittelyllä ovat usein ainoa tehokas menetelmä käsitellä nanohiukkasia. Tämä pätee erityisesti erittäin hienojakoisiin nanomateriaaleihin, joilla on erityisiä toiminnallisia ominaisuuksia, sillä nanokoossa hiukkasten ainutlaatuiset ominaisuudet tulevat esiin. Tiettyjä toiminnallisia ominaisuuksia omaavan nanomateriaalin valmistamiseksi on varmistettava tasainen ja luotettava ultraäänikäsittelyprosessi. Hielscher toimittaa ultraäänilaitteita laboratoriomittakaavasta täysimittaiseen kaupalliseen tuotantoon.

Sonofragmentaatio kavitaation avulla

Voimakkaiden ultraäänivoimien kohdistaminen nesteisiin luo äärimmäisiä olosuhteita. Kun ultraääni etenee nestemäisessä väliaineessa, ultraääniaallot aiheuttavat vuorottelevia puristus- ja harvenemisjaksoja (korkean ja matalan paineen jaksoja). Matalan paineen jaksojen aikana nesteeseen syntyy pieniä tyhjiökuplia. Nämä kavitaatiokuplat kasvavat useiden matalan paineen jaksojen ajan, kunnes ne saavuttavat koon, jossa ne eivät enää pysty absorboimaan lisää energiaa. Tässä absorboidun energian ja kuplan koon maksimitilassa kavitaatiokupla luhistuu rajusti ja luo paikallisesti äärimmäisiä olosuhteita. Näiden kavitaatiokuplien luhistumisen vuoksi paikallisesti saavutetaan erittäin korkeita, noin 5000 K:n lämpötiloja ja noin 2000 atm:n paineita. Luhistuminen synnyttää nestesuihkuja, joiden nopeus on jopa 280 m/s (≈1000 km/h). Sonofragmentaatio tarkoittaa näiden voimakkaiden voimien käyttöä hiukkasten hajottamiseen pienemmiksi, alle mikrometrin kokoisiksi ja nanokokoisiksi fragmenteiksi. Ultraäänikäsittelyn edetessä hiukkasten muoto muuttuu kulmikkaasta pallomaiseksi, mikä tekee hiukkasista arvokkaampia. Sonofragmentaation tulokset ilmaistaan fragmentoitumisnopeutena, jota kuvataan syötetyn tehon, ultraäänikäsitellyn tilavuuden ja agglomeraattien koon funktiona.
Kusters et al. (1994) tutkivat ultraääniavusteista agglomeraattien fragmentointia suhteessa sen energiankulutukseen. Tutkijoiden tulokset ”osoittavat, että ultraäänidispergointitekniikka voi olla yhtä tehokas kuin tavanomaiset jauhatustekniikat. Ultraäänidispergoinnin teollinen toteutus (esimerkiksi suuremmat anturit ja suspension jatkuva läpivirtaus) saattaa muuttaa näitä tuloksia jonkin verran, mutta yleisesti odotetaan, ettei ominaisenergiankulutus ole tämän hienonnustekniikan valinnan peruste, vaan pikemminkin sen kyky tuottaa erittäin hienojakoisia (alle mikrometrin kokoisia) hiukkasia.” [Kusters et al. 1994] Erityisesti eroosion kautta hienontuvien jauheiden, kuten piidioksidin tai zirkoniumdioksidin, kohdalla jauheen massayksikköä kohti tarvittavan energian havaittiin olevan ultraäänijauhatuksessa pienempi kuin tavanomaisissa jauhatusmenetelmissä. Ultraäänikäsittely vaikuttaa hiukkasiin paitsi jauhamalla myös kiillottamalla kiinteitä aineita. Näin hiukkasille voidaan saavuttaa suuri pallomaisuus.

Sonofragmentaatio nanomateriaalien kiteytyksessä

”Vaikka on tuskin epäilystä siitä, etteikö ultraäänelle altistetuissa molekyylikiteiden lietteissä tapahtuisi hiukkasten välisiä törmäyksiä, ne eivät ole fragmentoitumisen hallitseva aiheuttaja. Toisin kuin molekyylikiteet, metallihiukkaset eivät vaurioidu suoraan iskuaaltojen vaikutuksesta, ja niihin voivat vaikuttaa vain voimakkaammat (mutta paljon harvinaisemmat) hiukkasten väliset törmäykset. Metallijauheiden ja aspiriinilietteiden ultraäänikäsittelyn hallitsevien mekanismien ero korostaa muokattavien metallihiukkasten ja hauraiden molekyylikiteiden ominaisuuksien eroja.” [Zeiger/ Suslick 2011, 14532]

Aspiriinihiukkasten sonofragmentaatio [Zeiger/ Suslick 2011]

Gopi et al. (2008) tutkivat erittäin puhtaiden, alle mikrometrin kokoisten alumiinioksidikeraamisten hiukkasten (pääosin alle 100 nm:n kokoalueella) valmistamista mikrometrikokoisesta syöttömateriaalista (esimerkiksi 70–80 μm) sonofragmentaation avulla. He havaitsivat alumiinioksidikeraamisten hiukkasten värissä ja muodossa merkittävän muutoksen sonofragmentaation seurauksena. Mikrometrikokoisia, alle mikrometrin kokoisia ja nanokokoisia hiukkasia voidaan tuottaa helposti suuritehoisella ultraäänikäsittelyllä. Hiukkasten pallomaisuus kasvoi niiden viipymäajan pidentyessä akustisessa kentässä.

Dispergointi pinta-aktiivisen aineen avulla

Ultraäänen tehokkaan hiukkasia hajottavan vaikutuksen vuoksi pinta-aktiivisten aineiden käyttö on välttämätöntä tuotettujen alle mikrometrin kokoisten ja nanokokoisten hiukkasten deagglomeroitumisen estämiseksi. Mitä pienempi hiukkaskoko, sitä suurempi on pinta-alan aspektisuhde. Pinta on peitettävä pinta-aktiivisella aineella, jotta hiukkaset pysyvät suspensiossa ja niiden koaguloituminen (agglomeroituminen) vältetään. Ultraäänikäsittelyn etu on sen dispergoiva vaikutus: jauhatuksen ja fragmentoinnin kanssa samanaikaisesti ultraääni dispergoi jauhetut hiukkasfragmentit pinta-aktiivisen aineen avulla, jolloin nanohiukkasten agglomeroituminen vältetään (lähes) kokonaan.

Teollinen tuotanto

Luotettavia prosessointilaitteita tarvitaan, jotta markkinoille voidaan toimittaa korkealaatuista nanomateriaalia, jolla on poikkeuksellisia toiminnallisia ominaisuuksia. Ultraäänilaitteet, joiden teho on jopa 16 kW yksikköä kohti ja jotka voidaan yhdistää ryhmiksi, mahdollistavat käytännössä rajattomien tilavuusvirtojen käsittelyn. Ultraääniprosessien täysin lineaarisen skaalautuvuuden ansiosta ultraäänisovelluksia voidaan testata riskittömästi laboratoriossa, optimoida laboratoriopöytämittakaavassa ja ottaa sitten ongelmitta käyttöön tuotantolinjalla. Koska ultraäänilaitteisto ei vaadi paljon tilaa, se voidaan myös asentaa jälkikäteen olemassa oleviin prosessivirtoihin. Käyttö on helppoa, ja toimintaa voidaan valvoa ja ohjata etäohjauksella. Ultraäänijärjestelmän huoltotarve puolestaan on lähes olematon.

Bi2Te3-pohjaisen seoksen hiukkaskokojakauma ja SEM-kuvat ennen ultraäänijauhatusta ja sen jälkeen. a – Hiukkaskokojakauma; b – SEM-kuva ennen ultraäänijauhatusta; c – SEM-kuva 4 h:n ultraäänijauhatuksen jälkeen; d – SEM-kuva 8 h:n ultraäänijauhatuksen jälkeen.
lähde: Marquez-Garcia et al. 2015.

Kirjallisuus / Lähteet

• 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.