Szonofragmentáció – A nagy teljesítményű ultrahang hatása a részecskék aprítására

A szonofragmentáció a részecskék nanoméretű töredékekre történő aprítását jelenti nagy teljesítményű ultrahanggal. A szokásos ultrahangos deagglomerálással és őrléssel ellentétben – amelyek során a részecskék főként a részecskék közötti ütközések révén őrlődnek és válnak szét – a szonofragmentációt a részecske és a lökéshullám közötti közvetlen kölcsönhatás jellemzi. A nagy teljesítményű, alacsony frekvenciájú ultrahang kavitációt, ezáltal pedig intenzív nyíróerőket hoz létre a folyadékokban. A kavitációs buborékok összeomlásának és a részecskék közötti ütközéseknek a szélsőséges körülményei rendkívül finom szemcséjű anyaggá őrlik a részecskéket.

Nanorészecskék ultrahangos előállítása és előkészítése

A nagy teljesítményű ultrahang hatásai a nanoanyagok előállításában jól ismertek: az ultrahangos kezeléssel végzett diszpergálás, deagglomerálás, őrlés és aprítás, valamint fragmentálás gyakran az egyetlen hatékony módszer a nanorészecskék kezelésére. Ez különösen igaz a speciális funkcionális tulajdonságokkal rendelkező, rendkívül finom nanoanyagokra, mivel nanoméretben a részecskék egyedi jellemzői jutnak kifejezésre. Meghatározott funkcionális tulajdonságokkal rendelkező nanoanyag előállításához egyenletes és megbízható ultrahangos kezelési folyamatot kell biztosítani. A Hielscher a laboratóriumi léptéktől a teljes kereskedelmi termelési méretig szállít ultrahangos berendezéseket.

Szonofragmentáció kavitációval

A nagy erejű ultrahangos hatások folyadékba történő bevitele szélsőséges körülményeket teremt. Amikor az ultrahang folyékony közegben terjed, az ultrahanghullámok váltakozó sűrűsödési és ritkulási ciklusokat eredményeznek (magas és alacsony nyomású ciklusokat). Az alacsony nyomású ciklusok során apró vákuumbuborékok keletkeznek a folyadékban. Ezek a kavitációs buborékok több alacsony nyomású cikluson keresztül növekednek, amíg olyan méretet nem érnek el, amelynél már nem képesek több energiát elnyelni. A maximális elnyelt energia és buborékméret ezen állapotában a kavitációs buborék hevesen összeomlik, és helyileg szélsőséges körülményeket teremt. A kavitációs buborékok implóziója következtében helyileg rendkívül magas, kb. 5000K hőmérséklet és kb. 2000atm nyomás alakul ki. Az implózió akár 280m/s (≈1000km/h) sebességű folyadéksugarakat eredményez. A szonofragmentáció ezen intenzív erők alkalmazását jelenti a részecskék kisebb, szubmikronos és nanoméretű darabokra történő tördelésére. Az ultrahangos kezelés előrehaladtával a részecskék alakja szögletesből gömbszerűvé válik, ami értékesebbé teszi őket. A szonofragmentáció eredményeit a fragmentálás sebességével fejezik ki, amelyet a bevitt teljesítmény, az ultrahanggal kezelt térfogat és az agglomerátumok méretének függvényeként írnak le.
Kusters és munkatársai (1994) az agglomerátumok ultrahanggal segített fragmentálását vizsgálták annak energiafogyasztásával összefüggésben. A kutatók eredményei „azt jelzik, hogy az ultrahangos diszpergálási technika ugyanolyan hatékony lehet, mint a hagyományos őrlési technikák. Az ultrahangos diszpergálás ipari gyakorlata (pl. nagyobb szondák, a szuszpenzió folyamatos átvezetése) némileg módosíthatja ezeket az eredményeket, de összességében várhatóan nem a fajlagos energiafogyasztás indokolja ennek az aprítási technikának a kiválasztását, hanem az, hogy rendkívül finom (szubmikronos) részecskék előállítására képes.” [Kusters et al. 1994] Különösen az erózióval aprózódó porok, például a szilícium-dioxid vagy a cirkónium-dioxid esetében állapították meg, hogy az egységnyi portömegre jutó fajlagos energiaigény ultrahangos őrlésnél alacsonyabb, mint a hagyományos őrlési módszereknél. Az ultrahangos kezelés nemcsak őrléssel és aprítással hat a részecskékre, hanem a szilárd részecskék polírozásával is. Ezáltal a részecskék nagyfokú gömbszerűsége érhető el.

Szonofragmentáció nanoanyagok kristályosításához

„Bár aligha kétséges, hogy az ultrahanggal besugárzott molekulakristály-szuszpenziókban valóban történnek részecskék közötti ütközések, ezek nem a fragmentálás meghatározó okai. A molekulakristályokkal ellentétben a fémrészecskéket a lökéshullámok közvetlenül nem károsítják, és kizárólag az intenzívebb (de sokkal ritkább), részecskék közötti ütközések hathatnak rájuk. A fémporok és az aszpirinszuszpenziók ultrahangos kezelése során meghatározó mechanizmusok eltérése rámutat a képlékeny fémrészecskék és a morzsalékos molekulakristályok tulajdonságai közötti különbségekre.” [Zeiger/ Suslick 2011, 14532]

Aszpirinrészecskék szonofragmentációja [Zeiger/ Suslick 2011]

Gopi és munkatársai (2008) nagy tisztaságú, szubmikrométeres alumínium-oxid kerámiarészecskék (túlnyomórészt a 100 nm alatti tartományban) előállítását vizsgálták mikrométeres méretű kiindulási anyagból (pl. 70–80 μm), szonofragmentáció alkalmazásával. A szonofragmentáció eredményeként jelentős változást figyeltek meg az alumínium-oxid kerámiarészecskék színében és alakjában. Nagy teljesítményű ultrahangos kezeléssel könnyen előállíthatók mikronos, szubmikronos és nanoméretű részecskék. A részecskék gömbszerűsége az akusztikus térben töltött tartózkodási idő növekedésével fokozódott.

Diszpergálás felületaktív anyagban

A hatékony ultrahangos részecskeaprítás miatt a felületaktív anyagok használata elengedhetetlen a kapott szubmikronos és nanoméretű részecskék deagglomerálódásának megakadályozásához. Minél kisebb a részecskeméret, annál nagyobb a felület méretaránya; a felületet felületaktív anyaggal kell bevonni, hogy a részecskék szuszpenzióban maradjanak, és elkerülhető legyen a koagulációjuk (agglomerálódásuk). Az ultrahangos kezelés előnye a diszpergáló hatásban rejlik: az őrléssel és fragmentálással egyidejűleg az ultrahang a felületaktív anyaggal együtt diszpergálja a megőrölt részecsketöredékeket, így a nanorészecskék agglomerálódása (szinte) teljesen elkerülhető.

Ipari termelés

Megbízható feldolgozóberendezés szükséges ahhoz, hogy a piacot kiváló minőségű, rendkívüli funkcionális tulajdonságokat mutató nanoanyaggal lehessen ellátni. Az egységenként akár 16kW teljesítményű, csoportokba kapcsolható ultrahangos készülékek gyakorlatilag korlátlan térfogatáramok feldolgozását teszik lehetővé. Az ultrahangos folyamatok teljesen lineáris méretnövelhetősége révén az ultrahangos alkalmazások kockázatmentesen tesztelhetők laboratóriumban, asztali léptékben optimalizálhatók, majd problémamentesen beépíthetők a gyártósorba. Mivel az ultrahangos berendezés nem igényel nagy helyet, akár meglévő technológiai anyagáramokba is utólag beépíthető. Működtetése egyszerű, távvezérléssel felügyelhető és irányítható, miközben az ultrahangos rendszer karbantartási igénye szinte elhanyagolható.

Bi2Te3-alapú ötvözet részecskeméret-eloszlása és SEM-felvételei ultrahangos őrlés előtt és után. a – Részecskeméret-eloszlás; b – SEM-felvétel ultrahangos őrlés előtt; c – SEM-felvétel 4 h ultrahangos őrlés után; d – SEM-felvétel 8 h ultrahangos őrlés után.
forrás: Marquez-Garcia et al. 2015.

Szakirodalom / Hivatkozások

• 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.