Sonofragmentacija – Učinak snažnog ultrazvuka na lomljenje čestica

Sonofragmentacija opisuje lomljenje čestica u fragmente nano veličine ultrazvukom velike snage. Za razliku od uobičajene ultrazvučne deaglomeracije i mljevenja – gdje se čestice uglavnom melju i odvajaju međučestičnim sudarom – , sono-fragmentacija se razlikuje po izravnoj interakciji između čestice i udarnog vala. Ultrazvuk velike snage/niske frekvencije stvara kavitaciju i time intenzivne sile smicanja u tekućinama. Ekstremni uvjeti kavitacijskog kolapsa mjehurića i interpartikularnog sudara melju čestice do vrlo sitnog materijala.

Ultrazvučna proizvodnja i priprema nano čestica

Učinci snažnog ultrazvuka za proizvodnju nano materijala dobro su poznati: dispergiranje, deaglomeracija i mljevenje & Mljevenje kao i fragmentacija ultrazvukom često su jedina učinkovita metoda liječenja nano čestice. To je osobito istinito kada se radi o vrlo finim nano materijalima s posebnim funkcionalnostima jer su kod nano veličine izražene jedinstvene karakteristike čestica. Za stvaranje nano materijala sa specifičnim funkcijama, mora se osigurati ravnomjeran i pouzdan proces ultrazvuka. Hielscher isporučuje ultrazvučnu opremu od laboratorijskih razmjera do pune komercijalne proizvodne veličine.

Sono-fragmentacija kavitacijom

Unos snažnih ultrazvučnih sila u tekućine stvara ekstremne uvjete. Kada ultrazvuk širi tekući medij, ultrazvučni valovi rezultiraju izmjeničnim ciklusima kompresije i razrjeđivanja (ciklusi visokog i niskog tlaka). Tijekom ciklusa niskog tlaka, u tekućini se pojavljuju mali vakuumski mjehurići. ove kavitacija mjehurići rastu tijekom nekoliko ciklusa niskog tlaka dok ne postignu veličinu kada ne mogu apsorbirati više energije. U ovom stanju maksimalne apsorbirane energije i veličine mjehurića, kavitacijski mjehurić se nasilno kolabira i stvara lokalno ekstremne uvjete. Zbog implozije kavitacija mjehurića, vrlo visoke temperature od cca. 5000K i pritiscima od cca. Lokalno se postiže 2000 atm. Implozija rezultira tekućim mlazovima brzine do 280 m/s (≈1000 km/h). Sono-fragmentacija opisuje korištenje ovih intenzivnih sila za fragmentiranje čestica na manje dimenzije u submikronskom i nano rasponu. S progresivnom sonikacijom, oblik čestica se mijenja iz kutnog u sferni, što čini čestice vrijednijima. Rezultati sonofragmentacije izražavaju se kao stopa fragmentacije koja se opisuje kao funkcija ulazne snage, ultrazvučno obrađenog volumena i veličine aglomerata.
Kusters i sur. (1994) istraživali su ultrazvučno potpomognutu fragmentaciju aglomerata u odnosu na potrošnju energije. Rezultati istraživača „pokazuju da tehnika ultrazvučne disperzije može biti jednako učinkovita kao i konvencionalne tehnike mljevenja. Industrijska praksa ultrazvučne disperzije (npr. veće sonde, kontinuirana propusnost suspenzije) može donekle promijeniti ove rezultate, ali općenito se očekuje da specifična potrošnja energije nije razlog za odabir ove kominutronske tehnike, već njezina sposobnost da proizvode izuzetno fine (submikronske) čestice.“ [Kusters et al. 1994] Posebno za erodirajuće pudere kao što su Silicij ili cirkonij, utvrđeno je da je specifična energija potrebna po jedinici mase praha niža kod ultrazvučnog mljevenja nego kod konvencionalnih metoda mljevenja. Ultrasonication utječe na čestice ne samo mljevenjem i mljevenjem, već i poliranjem krutina. Time se može postići visoka sferičnost čestica.

Sono-fragmentacija za kristalizaciju nanomaterijala

„Iako nema sumnje da se međučestični sudari događaju u kašama molekularnih kristala ozračenih ultrazvukom, oni nisu dominantan izvor fragmentacije. Za razliku od molekularnih kristala, metalne čestice nisu izravno oštećene udarnim valovima i na njih mogu utjecati samo intenzivniji (ali mnogo rjeđi) međučestični sudari. Promjena dominantnih mehanizama za sonikaciju metalnih prahova u odnosu na aspirinske kaše naglašava razlike u svojstvima savitljivih metalnih čestica i trošnih molekularnih kristala.“ [Zeiger/ Suslick 2011, 14532]

Sonofragmentacija čestica aspirina [Zeiger/ Suslick 2011.]

Gopi i sur. (2008.) istraživali su proizvodnju submikrometarskih keramičkih čestica aluminijevog oksida visoke čistoće (pretežno u rasponu ispod 100 nm) iz materijala veličine mikrometra (npr. 70-80 μm) koristeći sonofragmentaciju. Uočili su značajnu promjenu boje i oblika keramičkih čestica glinice kao rezultat sono-fragmentacije. Čestice u mikronskom, submikronskom i nano rasponu veličine mogu se lako dobiti sonikacijom velike snage. Sferičnost čestica se povećavala s povećanjem vremena zadržavanja u akustičkom polju.

Disperzija u surfaktantu

Zbog učinkovitog ultrazvučnog lomljenja čestica, upotreba površinski aktivnih tvari neophodna je za sprječavanje deaglomeracije dobivenih čestica submikronske i nano veličine. Što je manja veličina čestica, veći je apektni omjer površine, koja mora biti prekrivena surfaktantom kako bi se zadržale u suspenziji i izbjegla koagulacija (aglomeracija) čestica. Prednost ultrazvuka leži u disperzijskom učinku: istovremeno s mljevenjem i fragmentacijom, ultrazvuk je raspršio samljevene fragmente čestica s površinski aktivnim sredstvom tako da je aglomeracija nano čestica (gotovo) potpuno izbjegnuta.

industrijska proizvodnja

Za opsluživanje tržišta s visokokvalitetnim nano materijalom koji izražava izvanredne funkcionalnosti, potrebna je pouzdana oprema za obradu. Ultrazvučni uređaji s do 16kW po jedinici koji se mogu klasterizirati omogućuju tvrđavu obradu gotovo neograničenih volumenskih tokova. Zbog potpuno linearne skalabilnosti ultrazvučnih procesa, ultrazvučne aplikacije mogu se bez rizika testirati u laboratoriju, optimizirati u stolnom mjerilu i zatim bez problema implementirati u proizvodnu liniju. Budući da ultrazvučna oprema ne zahtijeva veliki prostor, može se čak naknadno ugraditi u postojeće tokove procesa. Rad je jednostavan i može se nadzirati i pokrenuti putem daljinskog upravljača, dok je održavanje ultrazvučnog sustava gotovo zanemarivo.

Distribucija veličine čestica i SEM slike legure na bazi Bi2Te3 prije i poslije ultrazvučnog mljevenja. a – Raspodjela veličine čestica; b – SEM slika prije ultrazvučnog mljevenja; c – SEM slika nakon ultrazvučnog mljevenja 4 h; d – SEM slika nakon ultrazvučnog mljevenja tijekom 8 sati.
izvor: Marquez-Garcia et al. 2015.

Literatura / Reference