ソノフラグメンテーション-粒子破壊におけるパワー超音波の効果

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をナノサイズの断片に破壊することを指す。一般的な超音波脱凝集や超音波粉砕とは対照的に、ソノフラグメンテーションでは、粒子をナノサイズに粉砕する。 – ここで粒子は主に粉砕され、粒子間の衝突によって分離される – 超音波フラグメンテーションは、粒子と衝撃波の直接的な相互作用によって区別される。高出力/低周波数の超音波はキャビテーションを発生させ、それによって液体中に強いせん断力を生じさせる。キャビテーションによる気泡の崩壊と粒子間の衝突という極限状態により、粒子は非常に微細な物質にまで粉砕される。

超音波によるナノ粒子の製造と調製

ナノ材料の製造におけるパワー超音波の効果はよく知られている：分散、脱凝集、粉砕 & 超音波処理による粉砕と破砕は、多くの場合、唯一の効果的な方法である。 ナノ粒子.このことは、ナノサイズではユニークな粒子特性が表現されるため、特別な機能性を持つ非常に微細なナノ材料に関しては特に当てはまります。特定の機能性を持つナノ材料を作るためには、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。Hielscherは、ラボスケールから完全な商業生産サイズまで、超音波装置を提供しています。

キャビテーションによるソノフラグメンテーション

液体に強力な超音波の力が加わると、極限状態になる。超音波が液体媒体を伝播するとき、超音波は圧縮と希釈のサイクル（高圧と低圧のサイクル）を交互に発生させる。低圧サイクルの間、液体中に小さな真空の気泡が発生する。これらの キャビテーション 気泡は数回の低圧サイクルを経て、それ以上エネルギーを吸収できない大きさになるまで成長する。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、局所的に極限状態を作り出す。気泡の崩壊により キャビテーション 気泡は、局所的に約5000Kの超高温と約2000気圧に達する。爆縮の結果、最大速度280m/s（≒1000km/h）の液体ジェットが発生する。ソノフラグメンテーションとは、このような強力な力を利用して、粒子をサブミクロンやナノの領域まで細分化することである。ソノフラグメンテーションが進むにつれて、粒子の形状は角状から球状に変化し、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、入力電力、超音波処理量、凝集体のサイズの関数として記述されるフラグメンテーション率として表されます。
Kustersら(1994)は、超音波による凝集塊の破砕を、エネルギー消費との関連で調査した。研究者の結果は、「超音波分散技術は、従来の粉砕技術と同程度に効率的であることを示している。超音波分散の工業的慣行（例えば、プローブの大型化、懸濁液の連続処理量）によって、これらの結果は多少変わるかもしれないが、全体として、エネルギー消費量がこの粉砕技術を選択する理由ではなく、むしろ極めて微細な（サブミクロン）粒子を製造する能力であることが予想される"。[Kusters et al. 1994] 特に、以下のような浸食性粉体には、この手法が適している。 シリカ やジルコニアは、超音波粉砕によって、単位粉体質量当たりに必要な比エネルギーが従来の粉砕方法よりも低くなることがわかった。超音波粉砕は、粉砕や研削だけでなく、固体を研磨することによっても粒子に影響を与える。それにより、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

「超音波を照射した分子性結晶のスラリー中で粒子間衝突が起こることは疑いないが、それが断片化の主な原因ではない。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る。金属粉末の超音波処理とアスピリンスラリーの超音波処理で支配的なメカニズムが異なることは、可鍛性金属粒子と破砕性分子結晶の特性の違いを浮き彫りにしている。[Zeiger/ Suslick 2011, 14532］。

アスピリン粒子のソノフラグメンテーション［Zeiger/ Suslick 2011］

Gopiら(2008)は、ソノフラグメンテーションを用いて、マイクロメートルサイズのフィード(例えば70～80μm)から高純度のサブマイクロメートルサイズのアルミナセラミック粒子(主に100nm以下の範囲)を製造することを研究した。彼らは、ソノフラグメンテーションの結果、アルミナセラミック粒子の色と形状が著しく変化することを観察した。ミクロン、サブミクロン、ナノサイズの粒子は、高出力超音波処理によって容易に得ることができる。粒子の真球度は、音場中での保持時間が長くなるにつれて増加した。

界面活性剤への分散

超音波による効果的な粒子破砕のため、得られたサブミクロンやナノサイズの粒子の凝集を防ぐためには、界面活性剤の使用が不可欠である。粒子径が小さいほど、表面積のアスペクト比が高くなり、懸濁状態を保ち、粒子の凝集を避けるために界面活性剤で覆う必要がある。超音波処理の利点は分散効果にある：粉砕と破砕と同時に、超音波は界面活性剤で粉砕された粒子片を分散させるので、ナノ粒子の凝集は（ほぼ）完全に回避される。

工業生産高

驚異的な機能性を表現する高品質のナノ材料を市場に供給するには、信頼性の高い処理装置が必要です。クラスタ化可能な1台あたり最大16kWの超音波処理装置は、実質的に無制限の体積の流れを処理することができます。超音波プロセスは完全にリニアにスケールアップできるため、超音波アプリケーションは実験室でリスクなくテストでき、ベンチトップスケールで最適化された後、生産ラインに問題なく導入できます。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可能です。操作は簡単で、遠隔操作で監視・実行でき、超音波システムのメンテナンスはほとんど必要ありません。

超音波ミリング前後のBi2Te3基合金の粒度分布とSEM像。 – 粒度分布；b – 超音波ミリング前のSEM画像。 – 超音波ミリング4時間後のSEM像；d – 超音波ミリング8時間後のSEM像。
ソースマルケス＝ガルシアら2015年。

文献・参考文献