Sonofragmentatioun - Den Effekt vum Power Ultraschall op Partikelbriechung

Sonofragmentatioun beschreift d'Breechung vu Partikelen an Nano-Gréisst Fragmenter duerch High Power Ultraschall. Am Géigesaz zu der gemeinsamer Ultraschall Deagglomeratioun a Fräsen – wou d'Partikel haaptsächlech geschmëlzt an duerch Inter-Partikelkollisioun getrennt sinn – , Sono-Fragementatioun gëtt duerch déi direkt Interaktioun tëscht Partikel a Schockwelle ënnerscheet. Héich Kraaft / niddereg Frequenz Ultraschall erstellt Kavitatioun an doduerch intensiv Schéierkraaft a Flëssegkeeten. Déi extrem Bedéngungen vum Kavitational Bubble Zesummebroch an interpartikuläre Kollisioun schleifen Partikelen op ganz fein Gréisst Material.

Ultraschallproduktioun a Virbereedung vun Nanopartikelen

D'Effekter vum Kraaft-Ultraschall fir d'Produktioun vun Nanomaterialien si bekannt: Dispersing, Deagglomeratioun a Milling & Schleifen souwéi Fragmentatioun duerch Sonikatioun sinn dacks déi eenzeg effektiv Method fir ze behandelen Nano Partikel. Dëst ass besonnesch wouer wann et ëm ganz fein Nanomaterialien kënnt mat spezielle Fonctiounen wéi mat Nanogréisst eenzegaarteg Partikeleigenschaften ausgedréckt ginn. Fir Nano-Material mat spezifesche Funktionalitéiten ze kreéieren, muss e gläichen an zouverléissege Sonikatiounsprozess gesuergt ginn. Hielscher liwwert Ultraschallausrüstung vu Labo Skala bis voll kommerziell Produktiounsgréisst.

Sono-Fragmentatioun duerch Kavitatioun

Den Input vu mächtege Ultraschallkräften a Flëssegkeeten erstellt extrem Konditiounen. Wann Ultraschall e flëssege Medium propagéiert, resultéieren d'Ultraschallwellen an alternéierend Kompressiouns- a Rarfaktiounszyklen (Héichdruck- an Nidderdruckzyklen). Wärend den nidderegen Drockzyklen entstinn kleng Vakuumblasen an der Flëssegkeet. Dës Kavitatioun Blasen wuessen iwwer e puer Déifdrockzyklen bis se eng Gréisst erreechen wann se net méi Energie absorbéiere kënnen. An dësem Zoustand vu maximal absorbéierter Energie a Bubblegréisst fällt d'Kavitatiounsblase gewalteg zesummen a schaaft lokal extrem Konditiounen. Wéinst der Implosioun vun der Kavitatioun Blasen, ganz héich Temperaturen vun ca. 5000K an Drock vun ca. 2000atm sinn lokal erreecht. D'Implosioun resultéiert a Flëssegjets vu bis zu 280m/s (≈1000km/h) Geschwindegkeet. Sono-Fragmentatioun beschreift d'Benotzung vun dësen intensiven Kräfte fir Partikelen op méi kleng Dimensiounen am Sub-Mikron- an Nano-Bereich ze fragmentéieren. Mat enger fortschrëttlecher Sonikatioun dréit d'Partikelform vu Wénkel op Kugelgestalt, wat d'Partikel méi wäertvoll mécht. D'Resultater vun der Sonofragmentatioun ginn als Fragmentatiounsquote ausgedréckt, wat als Funktioun vum Strouminput beschriwwe gëtt, sonicéiert Volumen an d'Gréisst vun den Agglomeraten.
Kusters et al. (1994) ënnersicht d'Ultraschall assistéiert Fragmentatioun vun Agglomeraten a Relatioun zu hirem Energieverbrauch. D'Resultater vun de Fuerscher "weisen datt d'Ultraschalldispersiounstechnik sou effizient ka sinn wéi konventionell Schleiftechniken. D'industriell Praxis vun der Ultraschalldispersioun (zB méi grouss Sonden, kontinuéierleche Duerchgang vun der Suspensioun) kann dës Resultater e bëssen änneren, awer iwwerhaapt gëtt erwaart datt de spezifesche Energieverbrauch net de Grond fir d'Auswiel vun dëser Comminutron Technik ass, mee éischter seng Fäegkeet fir produzéieren extrem fein (submikron) Partikelen.“ [Kusters et al. 1994] Besonnesch fir Erodéieren Pudder wéi Silica oder Zirkonium, déi spezifesch Energie, déi pro Eenheet Puddermass erfuerderlech ass, gouf fonnt duerch Ultraschallschleifen manner wéi déi vun konventionelle Schleifmethoden. Ultrasonication beaflosst d'Partikelen net nëmmen duerch Fräsen a Schleifen, awer och duerch Polieren vun de Feststoffer. Doduerch kann eng héich Sphärizitéit vun de Partikelen erreecht ginn.

Sono-Fragmentatioun fir d'Krystalliséierung vun Nanomaterialien

"Während et wéineg Zweifel ass datt Interpartikelkollisiounen a Schläime vu molekulare Kristalle geschéien, déi mat Ultraschall bestrahlt sinn, si sinn net déi dominant Quell vun der Fragmentatioun. Am Géigesaz zu molekulare Kristalle ginn Metallpartikelen net direkt vu Schockwellen beschiedegt a kënnen nëmmen duerch déi méi intensiv (awer vill rarer) Interpartikelkollisiounen beaflosst ginn. D'Verréckelung vun dominante Mechanismen fir d'Sonicatioun vu Metallpudder versus Aspirin-Schläimen beliicht d'Ënnerscheeder an de Properties vu mëllbaren metallesche Partikelen a bréchege molekulare Kristalle." [Zeiger / Suslick 2011, 14532]

Sonofragmentatioun vun Aspirinpartikelen [Zeiger/ Suslick 2011]

Gopi et al. (2008) ënnersicht d'Fabrikatioun vun héich-Rengheet Submikrometer Alumina Keramik Partikel (haaptsächlech am Sub-100 nm Gamme) aus Mikrometer-Gréisst Fudder (zB 70-80 μm) mat Sonofragmentatioun. Si hunn eng bedeitend Ännerung vun der Faarf a Form vun Alumina Keramikpartikelen als Resultat vun der Sono-Fragmentatioun observéiert. Partikelen a Mikron, Submikron an Nano-Gréisst Beräich kënne ganz einfach duerch High Power Sonikatioun kritt ginn. D'Sphärizitéit vun de Partikele erhéicht mat enger Erhéijung vun der Retentiounszäit am akustesche Feld.

Dispersioun am Surfaktant

Wéinst der effektiver Ultraschallpartikelbriechung ass d'Benotzung vun Surfaktanten essentiell fir Deagglomeratioun vun de kritt Sub-Mikronen an Nano-Gréisst Partikelen ze vermeiden. Wat méi kleng d'Partikelgréisst ass, dest méi héich ass den spektakuläre Verhältnis vun der Uewerfläch, déi mat Surfaktant bedeckt muss ginn fir se an der Suspension ze halen an d'Koagualatioun vun Partikelen (Agglomeratioun) ze vermeiden. De Virdeel vun der Ultrasonicatioun läit an der Dispersiounseffekt: Gläichzäiteg zum Schleifen an der Fragmentatioun hunn Ultraschallen déi geschleeft Partikelfragmenter mam Surfaktant verdeelt, sou datt d'Agglomeratioun vun den Nano-Partikelen (bal) komplett vermeit gëtt.

industriell Produktioun

Fir de Maart mat héichqualitativen Nanomaterial ze déngen, dat aussergewéinlech Funktionalitéiten ausdréckt, ass zouverlässeg Veraarbechtungsausrüstung erfuerderlech. Ultraschaller mat bis zu 16kW pro Eenheet, déi clusteréierbar sinn, erlaben d'Veraarbechtung vu quasi onlimitéierte Volumenstroum. Wéinst der voller linearer Skalierbarkeet vun Ultraschallprozesser kënnen d'Ultraschallapplikatiounen am Laboratoire ouni Risiko getest ginn, an der Bank-Top Skala optimiséiert ginn an dann ouni Probleemer an d'Produktiounslinn ëmgesat ginn. Well d'Ultraschallausrüstung kee grousse Raum erfuerdert, kann et souguer an existente Prozessstroum ëmgebaut ginn. D'Operatioun ass einfach a kann iwwer Fernsteierung iwwerwaacht a lafen, wärend den Ënnerhalt vun engem Ultraschallsystem bal vernoléisseg ass.

Partikelgréisst Verdeelung an SEM Biller vu Bi2Te3-baséiert Legierung virun an no Ultraschallfräsen. a – Partikelgréisst Verdeelung; b – SEM Bild virun Ultraschall milling; c – SEM Bild no Ultraschallfräsen fir 4 h; d – SEM Bild no Ultraschallfräsen fir 8 h.
Quelle: Marquez-Garcia et al. 2015.

Literatur / Referenzen