Sonofragmentasi – Pengaruh Ultrasound Daya pada Kerusakan Partikel
Sonofragmentasi menggambarkan pemecahan partikel menjadi fragmen berukuran nano oleh ultrasound berdaya tinggi. Berbeda dengan deaglomerasi dan penggilingan ultrasonik yang umum – di mana partikel terutama digiling dan dipisahkan oleh tumbukan antar-partikel – , sono-fragementation dibedakan oleh interaksi langsung antara partikel dan gelombang kejut. Ultrasonografi daya tinggi / frekuensi rendah menciptakan kavitasi dan dengan demikian gaya geser yang intens dalam cairan. Kondisi ekstrem runtuhnya gelembung kavitasi dan tabrakan interspesifik menggiling partikel menjadi bahan berukuran sangat halus.
Produksi Ultrasonik dan Persiapan Partikel Nano
Efek ultrasound daya untuk produksi bahan nano terkenal: Dispersing, Deaglomerasi dan Penggilingan & Penggilingan serta Fragmentasi dengan sonikasi seringkali merupakan satu-satunya metode yang efektif untuk mengobati nanopartikel. Hal ini terutama berlaku ketika menyangkut bahan nano yang sangat halus dengan fungsi khusus seperti dengan karakteristik partikel unik ukuran nano diekspresikan. Untuk membuat bahan nano dengan fungsi tertentu, proses sonikasi yang merata dan andal harus dipastikan. Hielscher memasok peralatan ultrasonik dari skala laboratorium hingga ukuran produksi komersial penuh.
Sono-fragmentasi dengan kavitasi
Input gaya ultrasonik yang kuat ke dalam cairan menciptakan kondisi ekstrem. Ketika ultrasound menyebarkan media cair, gelombang ultrasonik menghasilkan siklus kompresi dan rarefaction bergantian (siklus tekanan tinggi dan tekanan rendah). Selama siklus tekanan rendah, gelembung vakum kecil muncul dalam cairan. Ini Kavitasi Gelembung tumbuh selama beberapa siklus tekanan rendah sampai mencapai ukuran ketika mereka tidak dapat menyerap lebih banyak energi. Pada keadaan energi maksimum yang diserap dan ukuran gelembung ini, gelembung kavitasi runtuh dengan keras dan menciptakan kondisi ekstrem lokal. Karena ledakan Kavitasi gelembung, suhu yang sangat tinggi sekitar 5000K dan tekanan sekitar 2000atm dicapai secara lokal. Ledakan menghasilkan semburan cairan dengan kecepatan hingga 280m/s (≈1000km/jam). Fragmentasi sono menggambarkan penggunaan gaya kuat ini untuk memecah partikel ke dimensi yang lebih kecil dalam kisaran sub-mikron dan nano. Dengan sonikasi yang berkembang, bentuk partikel berubah dari sudut menjadi bulat, yang membuat partikel lebih berharga. Hasil sonofragmentasi dinyatakan sebagai laju fragmentasi yang digambarkan sebagai fungsi input daya, volume sonikasi dan ukuran aglomerat.
Kusters et al. (1994) menyelidiki fragmentasi aglomerat yang dibantu ultrasonik dalam kaitannya dengan konsumsi energinya. Hasil para peneliti "menunjukkan bahwa teknik dispersi ultrasonik bisa seefisien teknik penggilingan konvensional. Praktik industri dispersi ultrasonik (misalnya probe yang lebih besar, throughput suspensi yang berkelanjutan) dapat mengubah hasil ini, tetapi secara keseluruhan diharapkan bahwa konsumsi energi spesifik bukanlah alasan pemilihan teknik comminutron ini melainkan kemampuannya untuk menghasilkan partikel yang sangat halus (submikron). [Kusters dkk. 1994] Terutama untuk bubuk pengikisan seperti Silika atau zirkonia, energi spesifik yang dibutuhkan per satuan massa bubuk ditemukan lebih rendah dengan penggilingan ultrasonik daripada metode penggilingan konvensional. Ultrasonikasi mempengaruhi partikel tidak hanya dengan penggilingan dan penggilingan, tetapi juga dengan memoles padatan. Dengan demikian, kebulatan partikel yang tinggi dapat dicapai.
Fragmentasi Sono untuk Kristalisasi Nanomaterial
"Meskipun ada sedikit keraguan bahwa tabrakan antarpartikel memang terjadi pada bubur kristal molekul yang disinari dengan ultrasound, mereka bukan sumber fragmentasi yang dominan. Berbeda dengan kristal molekuler, partikel logam tidak rusak oleh gelombang kejut secara langsung dan hanya dapat dipengaruhi oleh tumbukan antarpartikel yang lebih intens (tetapi jauh lebih jarang). Pergeseran mekanisme dominan untuk sonikasi bubuk logam versus bubur aspirin menyoroti perbedaan sifat partikel logam lunak dan kristal molekul rapuh. [Zeiger / Suslick 2011, 14532]
Gopi et al. (2008) menyelidiki fabrikasi partikel keramik alumina submikrometer dengan kemurnian tinggi (terutama dalam kisaran sub-100 nm) dari umpan berukuran mikrometer (misalnya, 70-80 μm) menggunakan sonofragmentasi. Mereka mengamati perubahan warna dan bentuk partikel keramik alumina yang signifikan sebagai akibat dari fragmentasi sono. Partikel dalam kisaran berukuran mikron, submikron dan nano dapat dengan mudah diperoleh dengan sonikasi daya tinggi. Kebulatan partikel meningkat dengan meningkatnya waktu retensi di medan akustik.
Dispersi dalam Surfaktan
Karena kerusakan partikel ultrasonik yang efektif, penggunaan surfaktan sangat penting untuk mencegah deaglomerasi partikel berukuran sub-mikron dan nano yang diperoleh. Semakin kecil ukuran partikel, semakin tinggi rasio apek luas permukaan, yang harus ditutup dengan surfaktan untuk menjaganya tetap dalam suspensi dan untuk menghindari koagualasi partikel (aglomerasi). Keuntungan dari ultrasonikasi terletak pada efek dispersi: Secara bersamaan dengan penggilingan dan fragmentasi, ultrasound membubarkan fragmen partikel yang digiling dengan surfaktan sehingga aglomerasi partikel nano (hampir) sepenuhnya dihindari.

Homogenizer ultrasonik efisien dan dapat diandalkan untuk dispersi nanopartikel dalam air atau pelarut. Gambar menunjukkan ultrasonicator laboratorium UP100H.
Produksi Industri
Untuk melayani pasar dengan bahan nano berkualitas tinggi yang mengekspresikan fungsionalitas luar biasa, diperlukan peralatan pemrosesan yang andal. Ultrasonicators dengan hingga 16kW per unit yang dapat dikelompokkan memungkinkan pemrosesan aliran volume yang hampir tidak terbatas. Karena skala linier penuh dari proses ultrasonik, aplikasi ultrasonik dapat diuji bebas risiko di laboratorium, dioptimalkan dalam skala bench-top dan kemudian diimplementasikan tanpa masalah ke dalam lini produksi. Karena peralatan ultrasonik tidak memerlukan ruang yang luas, bahkan dapat dipasang kembali ke aliran proses yang ada. Pengoperasiannya mudah dan dapat dipantau dan dijalankan melalui remote control, sementara pemeliharaan sistem ultrasonik hampir dapat diabaikan.

Distribusi ukuran partikel dan gambar SEM dari paduan berbasis Bi2Te3 sebelum dan sesudah penggilingan ultrasonik. sebuah – distribusi ukuran partikel; b – Gambar SEM sebelum penggilingan ultrasonik; c – Gambar SEM setelah penggilingan ultrasonik selama 4 jam; d – Gambar SEM setelah penggilingan ultrasonik selama 8 jam.
sumber: Marquez-Garcia et al. 2015.
Hubungi Kami! / Tanya Kami!
Literatur / Referensi
- 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.

Ultrasonicator berkinerja tinggi UIP2000hdT (2kW, 20kHz) untuk pencampuran, homogenisasi, dispersi nano, dan sonofragmentasi partikel yang efisien.

Hielscher Ultrasonics memproduksi homogenizer ultrasonik berkinerja tinggi dari laboratorium hingga ukuran industri.