Sonofragmentation – L’effet des ultrasons de puissance sur la rupture des particules

La sonofragmentation désigne la rupture des particules en fragments de taille nanométrique sous l’action d’ultrasons de forte puissance. Contrairement à la désagglomération et au broyage classiques par ultrasons – où les particules sont principalement broyées et séparées par des collisions entre particules –, la sonofragmentation se distingue par l’interaction directe entre la particule et l’onde de choc. Les ultrasons de forte puissance et de basse fréquence produisent une cavitation et, par conséquent, des forces de cisaillement intenses dans les liquides. Les conditions extrêmes engendrées par l’effondrement des bulles de cavitation et les collisions entre particules réduisent les particules en un matériau très fin.

Production et préparation de nanoparticules par ultrasons

Les effets des ultrasons de puissance sur la production de nanomatériaux sont bien connus : la dispersion, la désagglomération et le broyage, ainsi que la fragmentation par sonication, constituent souvent la seule méthode efficace pour traiter les nanoparticules. Cela est particulièrement vrai pour les nanomatériaux très fins présentant des fonctionnalités particulières, car des caractéristiques uniques des particules se manifestent à l’échelle nanométrique. Pour produire un nanomatériau doté de fonctionnalités spécifiques, il faut garantir un procédé de sonication homogène et fiable. Hielscher fournit des équipements à ultrasons allant de l’échelle du laboratoire à celle de la production commerciale à grande échelle.

Sonofragmentation par cavitation

L’application de forces ultrasonores puissantes dans les liquides crée des conditions extrêmes. Lorsque les ultrasons se propagent dans un milieu liquide, les ondes ultrasonores produisent une alternance de cycles de compression et de raréfaction (cycles de haute et de basse pression). Pendant les cycles de basse pression, de petites bulles de vide se forment dans le liquide. Ces bulles de cavitation grossissent au cours de plusieurs cycles de basse pression jusqu’à atteindre une taille à laquelle elles ne peuvent plus absorber d’énergie. Lorsque l’énergie absorbée et la taille de la bulle sont maximales, la bulle de cavitation s’effondre violemment et crée localement des conditions extrêmes. L’implosion des bulles de cavitation engendre localement des températures très élevées d’environ 5000K et des pressions d’environ 2000atm. L’implosion produit des jets de liquide dont la vitesse peut atteindre 280m/s (≈1000km/h). La sonofragmentation désigne l’utilisation de ces forces intenses pour fragmenter les particules en dimensions plus petites, dans les domaines submicronique et nanométrique. À mesure que la sonication progresse, la forme des particules passe d’anguleuse à sphérique, ce qui accroît leur valeur. Les résultats de la sonofragmentation sont exprimés sous la forme d’un taux de fragmentation, décrit en fonction de la puissance appliquée, du volume soumis à la sonication et de la taille des agglomérats.
Kusters et al. (1994) ont étudié la fragmentation des agglomérats assistée par ultrasons en relation avec sa consommation d’énergie. Les résultats des chercheurs « indiquent que la technique de dispersion par ultrasons peut être aussi efficace que les techniques de broyage classiques. La mise en œuvre industrielle de la dispersion par ultrasons (par exemple, des sondes plus grandes et un débit continu de suspension) peut modifier quelque peu ces résultats, mais, globalement, on s’attend à ce que la consommation d’énergie spécifique ne soit pas la raison du choix de cette technique de comminution, mais plutôt sa capacité à produire des particules extrêmement fines (submicroniques). » [Kusters et al. 1994] En particulier pour les poudres qui s’érodent, telles que la silice ou la zircone, il a été constaté que l’énergie spécifique nécessaire par unité de masse de poudre était plus faible avec le broyage par ultrasons qu’avec les méthodes de broyage classiques. La sonication agit sur les particules par broyage, mais aussi par polissage des solides. Elle permet ainsi d’obtenir une sphéricité élevée des particules.

Sonofragmentation pour la cristallisation des nanomatériaux

« Bien qu’il fasse peu de doute que des collisions entre particules se produisent dans les suspensions de cristaux moléculaires soumises aux ultrasons, elles ne constituent pas la principale source de fragmentation. Contrairement aux cristaux moléculaires, les particules métalliques ne sont pas directement endommagées par les ondes de choc et ne peuvent être affectées que par les collisions entre particules, plus intenses (mais beaucoup plus rares). Le changement de mécanismes dominants entre la sonication des poudres métalliques et celle des suspensions d’aspirine met en évidence les différences de propriétés entre les particules métalliques malléables et les cristaux moléculaires friables. » [Zeiger/ Suslick 2011, 14532]

Sonofragmentation de particules d’aspirine [Zeiger/ Suslick 2011]

Gopi et al. (2008) ont étudié la fabrication, par sonofragmentation, de particules céramiques d’alumine submicrométriques de haute pureté (principalement de taille inférieure à 100 nm) à partir d’une matière première de taille micrométrique (par exemple, 70–80 μm). Ils ont observé un changement significatif de la couleur et de la forme des particules céramiques d’alumine sous l’effet de la sonofragmentation. Des particules de taille micrométrique, submicrométrique et nanométrique peuvent facilement être obtenues par sonication de forte puissance. La sphéricité des particules augmentait avec le temps de séjour dans le champ acoustique.

Dispersion dans un tensioactif

En raison de l’efficacité de la rupture des particules par ultrasons, l’utilisation de tensioactifs est essentielle pour empêcher la désagglomération des particules submicrométriques et nanométriques obtenues. Plus la taille des particules est petite, plus le rapport de surface est élevé ; cette surface doit être recouverte de tensioactif pour maintenir les particules en suspension et éviter leur coagulation (agglomération). L’avantage de la sonication réside dans son effet dispersant : simultanément au broyage et à la fragmentation, les ultrasons dispersent les fragments de particules broyées avec le tensioactif, de sorte que l’agglomération des nanoparticules est (presque) totalement évitée.

Production industrielle

Pour fournir au marché des nanomatériaux de haute qualité présentant des fonctionnalités extraordinaires, des équipements de traitement fiables sont nécessaires. Les appareils à ultrasons offrant jusqu’à 16kW par unité et pouvant être regroupés permettent de traiter des débits volumiques pratiquement illimités. Grâce à la mise à l’échelle entièrement linéaire des procédés ultrasonores, les applications des ultrasons peuvent être testées sans risque en laboratoire, optimisées à l’échelle d’un équipement de paillasse, puis intégrées sans difficulté à la ligne de production. Comme les équipements à ultrasons sont peu encombrants, ils peuvent même être intégrés a posteriori dans des circuits de traitement existants. Leur fonctionnement est simple et peut être surveillé et piloté à distance, tandis que la maintenance d’un système à ultrasons est presque négligeable.

Distribution granulométrique et images MEB d’un alliage à base de Bi2Te3 avant et après broyage par ultrasons. a – Distribution granulométrique ; b – Image MEB avant broyage par ultrasons ; c – Image MEB après broyage par ultrasons pendant 4 h ; d – Image MEB après broyage par ultrasons pendant 8 h.
source : Marquez-Garcia et al. 2015.

Bibliographie / Références

• 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.