Sonofragmentacija – učinak ultrazvuka velike snage na lomljenje čestica

Sonofragmentacija opisuje lomljenje čestica u fragmente nanometarskih dimenzija ultrazvukom velike snage. Za razliku od uobičajene ultrazvučne deaglomeracije i mljevenja – pri kojima se čestice uglavnom usitnjavaju i razdvajaju međusobnim sudarima – sonofragmentaciju odlikuje izravno međudjelovanje čestice i udarnog vala. Ultrazvuk velike snage i niske frekvencije stvara kavitaciju, a time i intenzivne smične sile u tekućinama. Ekstremni uvjeti kolapsa kavitacijskih mjehurića i međučestičnih sudara usitnjavaju čestice u vrlo sitan materijal.

Ultrazvučna proizvodnja i priprema nanočestica

Učinci ultrazvuka velike snage u proizvodnji nanomaterijala dobro su poznati: dispergiranje, deaglomeracija, mljevenje i usitnjavanje te fragmentacija sonikacijom često su jedina učinkovita metoda za obradu nanočestica. To osobito vrijedi za vrlo sitne nanomaterijale s posebnim funkcionalnim svojstvima jer se pri nanometarskim dimenzijama očituju jedinstvena svojstva čestica. Za stvaranje nanomaterijala sa specifičnim funkcionalnim svojstvima potrebno je osigurati ujednačen i pouzdan proces sonikacije. Hielscher isporučuje ultrazvučnu opremu od laboratorijskog mjerila do punog opsega komercijalne proizvodnje.

Sonofragmentacija kavitacijom

Unošenje snažnih ultrazvučnih sila u tekućine stvara ekstremne uvjete. Kada se ultrazvuk širi tekućim medijem, ultrazvučni valovi uzrokuju izmjenične cikluse kompresije i razrjeđivanja (cikluse visokog i niskog tlaka). Tijekom ciklusa niskog tlaka u tekućini nastaju mali vakuumski mjehurići. Ti kavitacijski mjehurići rastu tijekom nekoliko ciklusa niskog tlaka dok ne dosegnu veličinu pri kojoj više ne mogu apsorbirati energiju. U tom stanju maksimalno apsorbirane energije i maksimalne veličine mjehurića, kavitacijski mjehurić silovito kolabira i stvara lokalno ekstremne uvjete. Zbog implozije kavitacijskih mjehurića lokalno se postižu vrlo visoke temperature od približno 5000K i tlakovi od približno 2000atm. Implozija stvara mlazove tekućine brzine do 280m/s (≈1000km/h). Sonofragmentacija opisuje primjenu tih intenzivnih sila za fragmentaciju čestica na manje dimenzije u submikrometarskom i nanometarskom rasponu. Kako sonikacija napreduje, oblik čestica mijenja se iz uglatog u sferni, čime čestice postaju vrjednije. Rezultati sonofragmentacije izražavaju se brzinom fragmentacije, koja se opisuje kao funkcija unesene snage, soniciranog volumena i veličine aglomerata.
Kusters i sur. (1994) istraživali su ultrazvučno potpomognutu fragmentaciju aglomerata u odnosu na potrošnju energije. Rezultati istraživača „pokazuju da tehnika ultrazvučnog dispergiranja može biti jednako učinkovita kao konvencionalne tehnike mljevenja. Industrijska praksa ultrazvučnog dispergiranja (npr. veće sonde, kontinuirani protok suspenzije) može donekle promijeniti te rezultate, no općenito se očekuje da specifična potrošnja energije nije razlog za odabir te tehnike usitnjavanja, nego njezina sposobnost proizvodnje iznimno sitnih (submikrometarskih) čestica.“ [Kusters et al. 1994] Osobito je za prahove podložne eroziji, poput silicijeva dioksida ili cirkonijeva dioksida, utvrđeno da je specifična energija potrebna po jedinici mase praha pri ultrazvučnom mljevenju niža nego pri konvencionalnim metodama mljevenja. Ultrazvučna obrada djeluje na čestice ne samo mljevenjem i usitnjavanjem nego i poliranjem čvrstih tvari. Time se može postići visoka sferičnost čestica.

Sonofragmentacija za kristalizaciju nanomaterijala

„Iako gotovo nema sumnje da u suspenzijama molekulskih kristala izloženima ultrazvuku dolazi do međučestičnih sudara, oni nisu dominantan uzrok fragmentacije. Za razliku od molekulskih kristala, metalne čestice ne oštećuju se izravno udarnim valovima i na njih mogu djelovati samo intenzivniji (ali mnogo rjeđi) međučestični sudari. Promjena dominantnih mehanizama pri sonikaciji metalnih prahova u usporedbi sa suspenzijama aspirina naglašava razlike u svojstvima kovkih metalnih čestica i drobljivih molekulskih kristala.“ [Zeiger/ Suslick 2011, 14532]

Sonofragmentacija čestica aspirina [Zeiger/ Suslick 2011]

Gopi i sur. (2008) istraživali su izradu visokopročišćenih keramičkih čestica aluminijeva oksida submikrometarskih dimenzija (pretežno u rasponu ispod 100 nm) iz ulaznog materijala mikrometarskih dimenzija (npr. 70–80 μm) sonofragmentacijom. Uočili su značajnu promjenu boje i oblika keramičkih čestica aluminijeva oksida kao rezultat sonofragmentacije. Čestice u mikrometarskom, submikrometarskom i nanometarskom rasponu mogu se lako dobiti sonikacijom velike snage. Sferičnost čestica povećavala se s produljenjem vremena zadržavanja u akustičkom polju.

Dispergiranje u površinski aktivnoj tvari

Zbog učinkovitog ultrazvučnog lomljenja čestica, upotreba površinski aktivnih tvari nužna je kako bi se spriječila deaglomeracija dobivenih čestica submikrometarskih i nanometarskih dimenzija. Što su čestice manje, to je veći omjer dimenzija površine, koju je potrebno prekriti površinski aktivnom tvari kako bi čestice ostale u suspenziji i kako bi se izbjegla njihova koagulacija (aglomeracija). Prednost ultrazvučne obrade leži u učinku dispergiranja: istodobno s mljevenjem i fragmentacijom, ultrazvuk dispergira usitnjene fragmente čestica s površinski aktivnom tvari, tako da se aglomeracija nanočestica (gotovo) potpuno izbjegava.

Industrijska proizvodnja

Za opskrbu tržišta visokokvalitetnim nanomaterijalom koji pokazuje izvanredna funkcionalna svojstva potrebna je pouzdana procesna oprema. Ultrazvučni uređaji snage do 16kW po jedinici, koji se mogu povezivati u skupine, omogućuju obradu volumnih tokova praktički neograničene veličine. Zahvaljujući potpuno linearnom povećanju mjerila ultrazvučnih procesa, ultrazvučne primjene mogu se bez rizika ispitati u laboratoriju, optimizirati na stolnim uređajima, a zatim bez problema uvesti u proizvodnu liniju. Budući da ultrazvučna oprema ne zahtijeva mnogo prostora, može se čak naknadno ugraditi u postojeće procesne tokove. Rukovanje je jednostavno, a nadzor i upravljanje mogući su daljinskim upravljačem, dok je održavanje ultrazvučnog sustava gotovo zanemarivo.

Raspodjela veličine čestica i SEM snimke legure na bazi Bi2Te3 prije i nakon ultrazvučnog mljevenja. a – raspodjela veličine čestica; b – SEM snimka prije ultrazvučnog mljevenja; c – SEM snimka nakon ultrazvučnog mljevenja tijekom 4 h; d – SEM snimka nakon ultrazvučnog mljevenja tijekom 8 h.
izvor: Marquez-Garcia i sur. 2015.

Literatura / Reference

• 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.