Sonofragmentation décrit la rupture des particules en fragments de taille nanométrique par ultrasons de haute puissance. Contrairement à la désagglomération par ultrasons commun et fraisage – où les particules sont essentiellement broyés et séparés par collision entre particules – , Sono-fragementation se distingue par l'interaction directe entre la particule et onde de choc. Haute puissance / ultrasons basse fréquence crée cavitation et donc des forces de cisaillement intenses dans les liquides. Les conditions extrêmes d'effondrement de la bulle de cavitation et de collision interparticulaire broyer les particules à des matériaux de taille très fine.

La production à ultrasons et préparation de particules Nano

Les effets des ultrasons de puissance pour la production de matériaux nano sont bien connus: Dispersant, Désagglomération et fraisage & Le broyage, ainsi que Fragmentation par sonication sont souvent la seule méthode efficace pour traiter nano particules. Cela est particulièrement vrai quand il s'agit de très beaux matériaux nano avec funcionalities Especial comme avec les caractéristiques des particules de taille nano uniques sont exprimés. Pour créer nanomatériau avec des fonctionnalités spécifiques, un processus de sonication même et fiable doit être assurée. Hielscher fournit des équipements à ultrasons de l'échelle du laboratoire à la taille de la production commerciale complète.

Sono-Fragmentation par Cavitation

L'entrée des forces puissantes à ultrasons dans des liquides crée des conditions extrêmes. Lorsque les ultrasons se propagent d'un milieu liquide, les ondes ultrasonores se traduisent par compression en alternance et des cycles de raréfaction (haute pression et des cycles de basse pression). Au cours des cycles à basse pression, les petites bulles de vaccum apparaissent dans le liquide. Celles-ci cavitation bulles grossissent sur plusieurs cycles à basse pression jusqu'à ce qu'ils atteignent une taille quand ils ne peuvent pas absorber plus d'énergie. A cet état de l'énergie maximale absorbée et la taille des bulles, l'effondrement de la bulle de cavitation violemment et crée des conditions extrêmes localement. En raison de l'implosion du cavitation bulles, très hautes températures d'env. 5000K et pressions d'env. 2000atm sont atteints localement. L'implosion se traduit par des jets de liquide d'une vitesse allant jusqu'à 280 m / s (≈ 1000 km / h). Sono-fragmentation décrit l'utilisation de ces forces intenses pour fragmenter les particules à des dimensions plus petites dans la gamme submicronique et nanométrique. Avec une sonication progressive, la forme des particules passe de angulaire à sphérique, ce qui rend les particules plus précieuses. Les résultats de la sonofragmentation sont exprimés en taux de fragmentation qui est décrit en fonction de la puissance absorbée, du volume soniqué et de la taille des agglomérats.
Kusters et ses collaborateurs (1994) ont étudié la fragmentation assistée par ultrasons des agglomérats en fonction de leur consommation d'énergie. Les résultats des chercheurs " indiquent que la technique de dispersion ultrasonique peut être aussi efficace que les techniques de broyage conventionnelles. La pratique industrielle de la dispersion ultrasonore (p. ex. grandes sondes, débit continu de la suspension) peut modifier quelque peu ces résultats, mais dans l'ensemble, on s'attend à ce que la consommation d'énergie spécifique ne soit pas la raison de la sélection de cette technique au comminutron mais plutôt sa capacité de produire des particules extrêmement fines (submicroniques)". 1994] Surtout pour les poudres d'érosion telles que le silice ou l'oxyde de zirconium, l'énergie spécifique requise par masse de poudre de base a été jugée plus faible par broyage ultrasonique que celle des procédés de broyage conventionnels. Ultrasons affecte les particules non seulement par broyage et broyage, mais aussi par le polissage des solides. De ce fait, une forte sphéricité des particules peut être obtenue.

Sono-fragmentation pour la Cristallisation de Nanomatériaux

« Bien qu'il y ait peu de doute que les collisions entre particules ne se produisent dans des suspensions de cristaux moléculaires irradiés avec des ultrasons, ils ne sont pas la principale source de fragmentation. Contrairement aux cristaux moléculaires, les particules métalliques ne sont pas endommagées par des ondes de choc directement et peuvent être affectés que par le plus intense (mais beaucoup plus rare) les collisions entre particules. Le changement dans les mécanismes dominants pour la sonication de poudres métalliques par rapport aux suspensions d'aspirine met en évidence les différences dans les propriétés des particules métalliques malléables et les cristaux moléculaires friables « . [Zeiger / Suslick 2011, 14532]

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

Gopi et ses collaborateurs (2008) ont étudié la fabrication de particules céramiques d'alumine submicrométrique de haute pureté (principalement dans une plage de moins de 100 nm) à partir d'une charge micrométrique (p. ex., 70-80 μm) par sonofragmentation. Ils ont observé un changement significatif dans la couleur et la forme des particules d'alumine céramique à la suite d'une fragmentation sonore. Les particules de l'ordre du micron, du submicron et du nanomètre peuvent être facilement obtenues par sonication à haute puissance. La sphéricité des particules augmente avec l'augmentation du temps de rétention dans le champ acoustique.

Dispersion dans Surfactant

En raison de la rupture des particules par ultrasons efficace, l'utilisation d'agents tensio-actifs est essentielle pour empêcher la désagglomération du sous-micron et de particules de taille nanométrique obtenue. Plus la taille des particules est élevé, plus le taux de apect de la surface qui doit être recouverte d'agent tensio-actif pour les maintenir en suspension et éviter la coagualation de particules (agglomération). L'avantage d'ultrasonication réside dans l'effet de dispersion: En même temps que le broyage et la fragmentation, les ultrasons disperse les fragments de particules broyées avec l'agent tensio-actif de telle sorte que l'agglomération des nano-il souvent des particules est (presque) complètement évités.

Production industrielle

Pour servir le marché avec un nanomatériau de haute qualité qui exprime des fonctionnalités extraordinaires, un équipement de traitement fiable est nécessaire. Les ultra-magnétiseurs jusqu'à 16 kW par unité, qui peuvent être groupés, permettent de traiter des flux de volume virtuellement illimités. Grâce à l'évolutivité entièrement linéaire des processus à ultrasons, les applications ultrasoniques peuvent être testées sans risque en laboratoire, optimisées en paillasse, puis mises en œuvre sans problème dans la chaîne de production. Comme l'équipement à ultrasons ne nécessite pas un grand espace, il peut même être réajusté dans les flux de processus existants. L'opération est facile et peut être surveillée et exécutée par télécommande, tandis que la maintenance d'un système à ultrasons est presque négligeable.

Répartition granulométrique et images MEB de l'alliage à base de Bi2Te3 avant et après le broyage par ultrasons. a – Distribution de la taille des particules ; b – Image MEB avant le fraisage par ultrasons ; c – Image SEM après fraisage par ultrasons pendant 4 h ; d – Image SEM après le fraisage par ultrasons pendant 8 h.
source : Marquez-Garcia et al. 2015.

Littérature / Références