Sonofragmentation - L'effet des ultrasons de puissance sur la rupture des particules

La sonofragmentation décrit la fragmentation de particules en fragments de taille nanométrique par des ultrasons de forte puissance. Contrairement à la désagglomération et au broyage ultrasoniques courants, la sonofragmentation n'est pas un procédé de broyage mais un procédé de désagglomération. – où les particules sont principalement broyées et séparées par collision interparticulaire – La sono-fragmentation se distingue par l'interaction directe entre la particule et l'onde de choc. Les ultrasons à haute puissance/basse fréquence créent une cavitation et donc des forces de cisaillement intenses dans les liquides. Les conditions extrêmes d'effondrement des bulles de cavitation et de collision interparticulaire réduisent les particules à une taille très fine.

Production par ultrasons et préparation de nanoparticules

Les effets des ultrasons de puissance sur la production de nanomatériaux sont bien connus : Disperser, désagglomérer et broyer & Le broyage et la fragmentation par sonication sont souvent les seules méthodes efficaces pour traiter les maladies infectieuses. nanoparticules. Cela est particulièrement vrai lorsqu'il s'agit de nanomatériaux très fins dotés de fonctionnalités particulières, car la taille nanométrique exprime des caractéristiques particulaires uniques. Pour créer des nanomatériaux aux fonctionnalités spécifiques, un processus de sonication régulier et fiable doit être garanti. Hielscher fournit des équipements à ultrasons depuis l'échelle du laboratoire jusqu'à la production commerciale complète.

Sono-fragmentation par cavitation

L'introduction de puissantes forces ultrasoniques dans les liquides crée des conditions extrêmes. Lorsque les ultrasons se propagent dans un milieu liquide, les ondes ultrasonores entraînent 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 apparaissent dans le liquide. Ces bulles cavitation Les bulles se développent sur plusieurs cycles de basse pression jusqu'à ce qu'elles atteignent une taille telle qu'elles ne peuvent plus absorber d'énergie. À cet état d'énergie absorbée maximale et de taille de bulle, la bulle de cavitation s'effondre violemment et crée localement des conditions extrêmes. En raison de l'implosion de la cavitation Dans les bulles, des températures très élevées d'environ 5000K et des pressions d'environ 2000atm sont atteintes localement. L'implosion produit des jets de liquide dont la vitesse peut atteindre 280 m/s (≈1000km/h). La sono-fragmentation décrit l'utilisation de ces forces intenses pour fragmenter les particules en dimensions plus petites, de l'ordre du sous-micron et du nanomètre. Au fur et à mesure que la sonication progresse, la forme des particules passe d'angulaire à sphérique, ce qui leur confère une plus grande valeur. Les résultats de la sonofragmentation sont exprimés sous la forme d'un taux de fragmentation qui est décrit comme une fonction de la puissance absorbée, du volume sonifié et de la taille des agglomérats.
Kusters et al. (1994) ont étudié la fragmentation d'agglomérats assistée par ultrasons en fonction de sa 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 ultrasonique (par exemple, sondes plus grandes, 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 du choix de cette technique de broyage, mais plutôt sa capacité à produire des particules extrêmement fines (submicroniques)". [Kusters et al. 1994] En particulier pour les poudres d'érosion telles que les Silice ou la zircone, l'énergie spécifique requise par unité de masse de poudre s'est avérée plus faible avec le broyage par ultrasons qu'avec les méthodes de broyage conventionnelles. Les ultrasons agissent sur les particules non seulement en les broyant, mais aussi en les polissant. Il est ainsi possible d'obtenir une sphéricité élevée des particules.

Sono-fragmentation pour la cristallisation des nanomatériaux

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

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

Gopi et al. (2008) ont étudié la fabrication de particules de céramique d'alumine submicrométriques de haute pureté (principalement dans la plage inférieure à 100 nm) à partir d'aliments de taille micrométrique (par exemple, 70-80 μm) en utilisant la sonofragmentation. Ils ont observé un changement significatif de la couleur et de la forme des particules de céramique d'alumine à la suite de la sono-fragmentation. Des particules de taille micronique, submicronique et nanométrique peuvent être facilement obtenues par sonication à haute puissance. La sphéricité des particules augmente avec le temps de rétention dans le champ acoustique.

Dispersion dans un agent tensioactif

En raison de l'efficacité de l'éclatement des particules par ultrasons, l'utilisation de surfactants est essentielle pour empêcher la désagglomération des particules submicroniques et nanométriques obtenues. Plus la taille des particules est petite, plus le rapport d'aspect de la surface est élevé, qui doit être couverte de surfactant pour les maintenir en suspension et éviter la coagulation (agglomération) des particules. L'avantage de l'ultrasonication réside dans son effet dispersant : Simultanément au broyage et à la fragmentation, les ultrasons dispersent les fragments de particules broyées avec l'agent tensioactif, de sorte que l'agglomération des nanoparticules est (presque) totalement évitée.

production industrielle

Pour servir le marché avec des nanomatériaux de haute qualité qui expriment des fonctionnalités extraordinaires, un équipement de traitement fiable est nécessaire. Les ultrasons, dont la puissance peut atteindre 16 kW par unité et qui peuvent être regroupés, permettent de traiter des flux d'un volume pratiquement illimité. En raison de l'évolutivité entièrement linéaire des processus ultrasoniques, les applications ultrasoniques peuvent être testées sans risque en laboratoire, optimisées à l'échelle de la paillasse, puis mises en œuvre sans problème dans la chaîne de production. Comme l'équipement ultrasonique ne nécessite pas un grand espace, il peut même être intégré dans des processus existants. Le fonctionnement est simple et peut être surveillé et géré à distance, tandis que la maintenance d'un système à ultrasons est pratiquement négligeable.

Distribution de la taille des particules et images SEM 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 broyage par ultrasons ; c – Image MEB après un broyage par ultrasons pendant 4 heures ; d – Image MEB après un broyage par ultrasons pendant 8 heures.
source : Marquez-Garcia et al. 2015.

Littérature / Références