Sonoframmentazione - L'effetto degli ultrasuoni di potenza sulla rottura delle particelle

Sonoframmentazione descrive la rottura di particelle in frammenti di dimensioni nanometriche per mezzo di ultrasuoni ad alta potenza. In contrasto con il comune deagglomerazione ad ultrasuoni e fresatura – dove le particelle sono principalmente macinate e separate da collisioni tra le particelle. – sono-fragementazione si distingue per l'interazione diretta tra particella e onda d'urto. Gli ultrasuoni ad alta potenza/bassa frequenza creano cavitazione e quindi intense forze di taglio nei liquidi. Le condizioni estreme di collasso della bolla cavitazionale e di collisione interparticolare macinano le particelle in materiale di dimensioni molto fini.

Produzione ad ultrasuoni e preparazione di nanoparticelle

Gli effetti degli ultrasuoni di potenza per la produzione di nano materiali sono ben noti: Dispersione, Deagglomerazione e Fresatura & La macinazione e la frammentazione per sonicazione sono spesso l'unico metodo efficace per trattare nano particelle. Questo è particolarmente vero quando si tratta di nanomateriali molto fini con funzionalità particolari, in quanto con le nano dimensioni vengono espresse caratteristiche uniche delle particelle. Per creare materiale nano con funzionalità specifiche, è necessario garantire un processo di sonicazione uniforme e affidabile. Hielscher fornisce apparecchiature ad ultrasuoni, dalla bilancia da laboratorio alle dimensioni della produzione commerciale.

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Omogeneizzatore industriale a ultrasuoni per la macinazione e la frammentazione intensiva delle particelle.

Il MultiSonoReactor MSR-4 è un omogeneizzatore industriale in linea adatto alla frammentazione e alla macinazione di particelle e nanomateriali.

Frammentazione sonora di Cavitazione

L'immissione di potenti forze ultrasoniche nei liquidi crea condizioni estreme. Quando gli ultrasuoni propagano un mezzo liquido, le onde ultrasoniche provocano cicli alternati di compressione e rarefazione (cicli ad alta e bassa pressione). Durante i cicli a bassa pressione, nel liquido si formano piccole bolle di vaccino. Questi cavitazione Le bolle crescono in diversi cicli a bassa pressione fino a raggiungere una dimensione in cui non possono assorbire più energia. A questo stato di massima energia assorbita e dimensione della bolla, la bolla di cavitazione crolla violentemente e crea condizioni estreme a livello locale. A causa dell'implosione della cavitazione bolle, temperature molto elevate di ca. 5000K e pressioni di ca. 2000atm vengono raggiunte localmente. L'implosione produce getti di liquido con velocità fino a 280m/s (≈1000km/h). Sono-frammentazione descrive l'uso di queste intense forze per frammentare particelle di dimensioni più piccole nel range sub-micron e nano. Con una sonicazione progressiva, la forma delle particelle si trasforma da angolare a sferica, il che rende le particelle più preziose. I risultati della sonoframmentazione sono espressi come tasso di frammentazione che viene decritto in funzione della potenza assorbita, del volume sonicato e delle dimensioni degli agglomerati.
Kusters et al. (1994) hanno studiato la frammentazione ultrasonicamente assistita degli agglomerati in relazione al consumo energetico. I risultati dei ricercatori "indicano che la tecnica di dispersione ultrasonica può essere efficiente quanto le tecniche di macinazione convenzionali. La pratica industriale della dispersione ultrasonica (ad esempio, sonde più grandi, flusso continuo di sospensione) può alterare in qualche modo questi risultati, ma nel complesso ci si aspetta che il consumo specifico di energia non sia la ragione per la scelta di questa tecnica di comminutron, ma piuttosto la sua capacità di produrre particelle estremamente fini (submicron)". [Kusters et al. 1994] Specialmente per l'erosione di polveri quali silice o zirconia, l'energia specifica richiesta per unità di massa di polvere è risultata inferiore con la macinazione ad ultrasuoni rispetto ai metodi di macinazione convenzionali. L'ultrasonicazione influenza le particelle non solo attraverso la fresatura e la macinazione, ma anche attraverso la lucidatura dei solidi. In questo modo è possibile ottenere un'elevata sfericità delle particelle.

Sono-frammentazione per la cristallizzazione dei nanomateriali

"Mentre non c'è dubbio che le collisioni interparticelle si verificano nei liquami di cristalli molecolari irradiati con ultrasuoni, essi non sono la fonte dominante di frammentazione. A differenza dei cristalli molecolari, le particelle metalliche non vengono danneggiate direttamente dalle onde d'urto e possono essere colpite solo da collisioni interparticelle più intense (ma molto più rare). Lo spostamento dei meccanismi dominanti per la sonicazione delle polveri metalliche rispetto ai fanghi di aspirina evidenzia le differenze nelle proprietà delle particelle metalliche malleabili e dei cristalli molecolari friabili". [Zeiger/ Suslick 2011, 14532]

Frammentazione ultrasonica delle particelle di acido acetilsalicilico

Sonoframmentazione delle particelle di aspirina [Zeiger/ Suslick 2011].

Gopi et al. (2008) hanno studiato la fabbricazione di particelle di ceramica di allumina submicrometrica di elevata purezza (prevalentemente in un intervallo inferiore a 100 nm) da mangimi di dimensioni micrometriche (ad esempio, 70-80 μm) utilizzando la sonoframmentazione. Hanno osservato un cambiamento significativo nel colore e nella forma delle particelle di ceramica di allumina come risultato della sono-frammentazione. Le particelle in micron, submicron e nano possono essere facilmente ottenute mediante sonicazione ad alta potenza. La sfericità delle particelle è aumentata con l'aumentare del tempo di ritenzione nel campo acustico.

Dispersione in tensioattivi

A causa dell'efficace rottura delle particelle ad ultrasuoni, l'uso di tensioattivi è essenziale per prevenire la deagglomerazione delle particelle di dimensioni inferiori al micron e delle nanoparticelle ottenute. Più piccole sono le dimensioni delle particelle, più alto è il rapporto di apect ratio della superficie, che deve essere coperta con tensioattivi per mantenerle in sospensione e per evitare la coagulazione delle particelle (agglomerazione). Il vantaggio dell'ultrasuoni risiede nell'effetto disperdente: Contemporaneamente alla macinazione e alla frammentazione, gli ultrasuoni hanno disperso i frammenti di particelle macinate con il tensioattivo in modo che l'agglomerazione delle nano particelle è (quasi) completamente evitata.

Gli ultrasuoni UP200Ht e UP200St sono entrambi potenti modelli di omogeneizzatori da 200W per la preparazione del campione, l'emulsificazione, la dispersione, l'estrazione e la chimica.

UP200Ht - Omogeneizzatore portatile ad ultrasuoni


Gli omogeneizzatori a ultrasuoni sono efficienti e affidabili per la dispersione di nanotubi di carbonio in acqua o solventi organici.

Gli omogeneizzatori a ultrasuoni sono efficienti e affidabili per la dispersione di nanoparticelle in acqua o solventi. L'immagine mostra l'ultrasuonatore da laboratorio UP100H.

Produzione industriale

Per servire il mercato con materiali nano di alta qualità che esprimono funzionalità straordinarie, sono necessarie apparecchiature di lavorazione affidabili. Gli ultrasuoni fino a 16kW per unità, che sono clusterizzabili, consentono l'elaborazione di flussi di volume virtualmente illimitati. Grazie alla scalabilità completamente lineare dei processi ad ultrasuoni, le applicazioni ad ultrasuoni possono essere testate in laboratorio, ottimizzate in scala da banco e quindi implementate senza problemi nella linea di produzione. Poiché l'apparecchio ad ultrasuoni non richiede un grande spazio, può anche essere inserito in flussi di processo esistenti. Il funzionamento è semplice e può essere monitorato e gestito tramite telecomando, mentre la manutenzione di un sistema a ultrasuoni è quasi trascurabile.

Gli ultrasuoni di potenza sono utilizzati con successo su scala industriale per la macinazione e la frammentazione delle particelle.

Distribuzione granulometrica e immagini SEM della lega a base di Bi2Te3 prima e dopo la fresatura ad ultrasuoni. a – Distribuzione granulometrica; b – Immagine al SEM prima della fresatura ad ultrasuoni; c – Immagine al SEM dopo la fresatura ad ultrasuoni per 4 ore; d – Immagine al SEM dopo la fresatura ad ultrasuoni per 8 ore.
fonte: Marquez-Garcia et al. 2015.

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