ソノフラグメンテーション – 粒子の破損に対するパワー超音波の影響
ソノフラグメンテーションとは、高出力の超音波によって粒子がナノサイズの断片に破壊されることを指します。一般的な超音波解凝集と粉砕とは対照的に – 粒子は主に粒子間衝突によって粉砕され、分離されます – 、ソノフラジメンテーションは、粒子と衝撃波の間の直接的な相互作用によって区別されます。高出力/低周波超音波はキャビテーションを引き起こし、それによって液体中に強いせん断力を発生させます。キャビテーション気泡の崩壊と特定の間衝突の極端な条件により、粒子は非常に細かいサイズの材料に粉砕されます。
ナノ粒子の超音波製造と調製
ナノ材料の製造に対するパワー超音波の影響はよく知られています:分散、解凝集および粉砕 & 粉砕だけでなく、超音波処理による断片化は、多くの場合、治療するための唯一の効果的な方法です ナノ粒子.特に、ナノサイズで特異な粒子特性が発現するなど、特殊な機能を持つ非常に微細なナノ材料の場合に顕著です。特定の機能を有するナノ材料を作製するためには、均一で信頼性の高い超音波処理プロセスを確保する必要があります。ヒールシャーは、実験室規模から完全な商業生産規模まで超音波装置を供給しています。
キャビテーションによるソノフラグメンテーション
液体への強力な超音波力の入力は、極端な条件を作り出します。超音波が液体媒体を伝搬すると、超音波は圧縮サイクルと希薄化サイクル(高圧サイクルと低圧サイクル)を交互に引き起こします。低圧サイクル中に、液体中に小さな真空気泡が発生します。これら キャビテーション 気泡は、より多くのエネルギーを吸収できないサイズに達するまで、いくつかの低圧サイクルで成長します。この最大吸収エネルギーと気泡サイズの状態で、キャビテーション気泡は激しく崩壊し、局所的に極端な状態を作り出します。の爆縮による キャビテーション 気泡、約5000Kの非常に高い温度、約2000atmの圧力が局所的に達します。爆縮により、最大280m/s(≈1000km/h)の速度の液体ジェットが発生します。ソノフラグメンテーションとは、これらの強い力を使用して、粒子をサブミクロンおよびナノ範囲の小さな寸法に断片化することを表します。超音波処理が進行すると、粒子の形状は角張った形から球形に変わり、粒子の価値が高まります。ソノフラグメンテーションの結果は、電力入力、超音波処理量、および凝集体のサイズの関数として表されるフラグメンテーション速度として表されます。
Kustersら(1994)は、そのエネルギー消費に関連して凝集体の超音波支援断片化を調査しました。研究者らの結果は、「超音波分散技術が従来の粉砕技術と同じくらい効率的であることを示しています。超音波分散の工業的慣行(例えば、より大きなプローブ、懸濁液の連続スループット)は、これらの結果を多少変えるかもしれないが、全体としては、比エネルギー消費がこのコミニュトロン技術の選択の理由ではなく、むしろ非常に微細な(サブミクロン)粒子を生成する能力であることが予想される。[Kusters et al. 1994] (英語)特に、次のような粉末の侵食に シリカ またはジルコニア、単位粉末質量当たりに必要な比エネルギーは、超音波粉砕によって従来の粉砕方法よりも低いことがわかった。超音波処理は、粉砕および粉砕だけでなく、固体を研磨することによっても粒子に影響を与える。これにより、粒子の高い真球度を達成することができる。
ナノ材料の結晶化のためのソノフラグメンテーション
「粒子間衝突が超音波を照射された分子結晶のスラリーで発生することは疑いの余地がありませんが、それらが断片化の主要な原因ではありません。分子結晶とは対照的に、金属粒子は衝撃波によって直接損傷を受けることはなく、より激しい(しかしはるかにまれな)粒子間衝突によってのみ影響を受けることができます。金属粉末とアスピリンスラリーの超音波処理の支配的なメカニズムの変化は、可鍛性金属粒子と砕けやすい分子結晶の特性の違いを浮き彫りにしています。[Zeiger/ Suslick 2011、14532]
Gopiら(2008)は、ソノフラグメンテーションを使用して、マイクロメートルサイズの供給(例えば、70〜80μm)からの高純度サブマイクロメートルアルミナセラミック粒子(主にサブ100nmの範囲)の作製を調査しました。彼らは、ソノフラグメンテーションの結果として、アルミナセラミック粒子の色と形状の有意な変化を観察しました。ミクロン、サブミクロン、ナノサイズの範囲の粒子は、高出力超音波処理によって容易に得ることができます。粒子の真球度は、音場での保持時間が長くなるにつれて増加しました。
界面活性剤への分散
効果的な超音波粒子破壊のために、得られたサブミクロンおよびナノサイズの粒子の解凝集を防ぐために界面活性剤の使用が不可欠です。粒子サイズが小さいほど、表面積のアペクト比が高くなり、表面積を界面活性剤で覆う必要がありますが、これはそれらを懸濁状態に保ち、粒子の凝集(凝集)を回避するためです。超音波処理の利点は分散効果にあります:粉砕と断片化と同時に、超音波は粉砕された粒子片を界面活性剤で分散させたので、ナノ粒子の凝集は(ほぼ)完全に回避されます。
工業生産
優れた機能性を発現した高品質なナノ材料を市場に供給するためには、信頼性の高い加工装置が必要です。クラスター化可能なユニットあたり最大16kWの超音波装置は、事実上無制限のボリュームストリームの処理を可能にします。超音波プロセスの完全に直線的な拡張性により、超音波アプリケーションは実験室でリスクなくテストし、ベンチトップスケールで最適化し、その後、問題なく生産ラインに実装できます。超音波装置は大きなスペースを必要としないため、既存のプロセスストリームに後付けすることもできます。操作は簡単で、遠隔操作で監視・実行することができますが、超音波システムのメンテナンスはほとんど手軽です。

超音波フライス加工前後のBi2Te3基合金の粒子サイズ分布とSEM画像。ある – 粒子サイズ分布;b – 超音波ミリング前のSEM画像。c – 超音波ミリング後のSEM画像4時間;d – 超音波ミリングを8時間行った後のSEM像。
出典:Marquez-Garcia et al. 2015.
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文献/参考文献
- 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.

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