Sonofragmentācija – jaudīgas ultraskaņas ietekme uz daļiņu sašķelšanu

Sonofragmentācija raksturo daļiņu sašķelšanu nanometru izmēra fragmentos, izmantojot lieljaudas ultraskaņu. Atšķirībā no ierastās deaglomerācijas un malšanas ar ultraskaņu – kad daļiņas galvenokārt tiek sasmalcinātas un atdalītas savstarpējās sadursmēs –, sonofragmentāciju raksturo tieša mijiedarbība starp daļiņu un triecienvilni. Lieljaudas zemfrekvences ultraskaņa rada kavitāciju un tādējādi intensīvus bīdes spēkus šķidrumos. Kavitācijas burbuļu sabrukšanas un daļiņu savstarpējo sadursmju radītie ekstremālie apstākļi sasmalcina daļiņas ļoti smalkā materiālā.

Nanodaļiņu ražošana un sagatavošana ar ultraskaņu

Jaudīgas ultraskaņas iedarbība nanomateriālu ražošanā ir labi zināma: disperģēšana, deaglomerācija un malšana un smalcināšana, kā arī fragmentācija, apstrādājot ar ultraskaņu, bieži vien ir vienīgā efektīvā metode, lai apstrādātu nanodaļiņas. Tas īpaši attiecas uz ļoti smalkiem nanomateriāliem ar īpašām funkcionālām īpašībām, jo nanometru izmērā izpaužas unikālas daļiņu īpašības. Lai iegūtu nanomateriālu ar konkrētām funkcionālām īpašībām, jānodrošina vienmērīgs un uzticams apstrādes process ar ultraskaņu. Hielscher piegādā ultraskaņas iekārtas no laboratorijas mēroga līdz pilna mēroga komerciālai ražošanai.

Sonofragmentācija ar kavitāciju

Spēcīgas ultraskaņas iedarbības ievadīšana šķidrumos rada ekstremālus apstākļus. Ultraskaņai izplatoties šķidrā vidē, ultraskaņas viļņi rada pārmaiņus saspiešanas un retinājuma ciklus (augsta un zema spiediena ciklus). Zema spiediena ciklu laikā šķidrumā rodas mazi vakuuma burbuļi. Šie kavitācijas burbuļi aug vairāku zema spiediena ciklu laikā, līdz sasniedz izmēru, kurā vairs nespēj absorbēt enerģiju. Šajā maksimāli absorbētās enerģijas un burbuļa izmēra stāvoklī kavitācijas burbulis strauji sabrūk un lokāli rada ekstremālus apstākļus. Šo kavitācijas burbuļu implozijas dēļ lokāli tiek sasniegta ļoti augsta temperatūra – aptuveni 5000K – un spiediens – aptuveni 2000atm. Implozija rada šķidruma strūklas ar ātrumu līdz 280m/s (≈1000km/h). Sonofragmentācija raksturo šo intensīvo spēku izmantošanu, lai sašķeltu daļiņas mazākos izmēros submikronu un nanometru diapazonā. Turpinoties apstrādei ar ultraskaņu, daļiņu forma no stūrainas kļūst sfēriska, padarot daļiņas vērtīgākas. Sonofragmentācijas rezultātus izsaka kā fragmentācijas ātrumu, ko apraksta kā funkciju no ievadītās jaudas, ar ultraskaņu apstrādātā tilpuma un aglomerātu izmēra.
Kusters et al. (1994) pētīja ar ultraskaņu veicinātu aglomerātu fragmentāciju saistībā ar tās enerģijas patēriņu. Pētnieku rezultāti „liecina, ka ultraskaņas disperģēšanas metode var būt tikpat efektīva kā tradicionālās malšanas metodes. Ultraskaņas disperģēšanas rūpnieciskā prakse (piemēram, lielākas zondes, nepārtraukta suspensijas caurplūde) var nedaudz mainīt šos rezultātus, taču kopumā sagaidāms, ka šīs smalcināšanas metodes izvēles iemesls ir nevis īpatnējais enerģijas patēriņš, bet gan tās spēja radīt ārkārtīgi smalkas (submikronu izmēra) daļiņas.“ [Kusters et al. 1994] Īpaši attiecībā uz erozijai pakļautiem pulveriem, piemēram, silīcija dioksīdu vai cirkonija dioksīdu, tika konstatēts, ka malšanai ar ultraskaņu nepieciešamā īpatnējā enerģija uz pulvera masas vienību ir mazāka nekā tradicionālajām malšanas metodēm. Apstrāde ar ultraskaņu ietekmē daļiņas ne tikai ar malšanu un smalcināšanu, bet arī pulējot cietās daļiņas. Tādējādi var panākt augstu daļiņu sfēriskumu.

Sonofragmentācija nanomateriālu kristalizācijai

„Lai gan nav lielu šaubu, ka ar ultraskaņu apstarotās molekulāro kristālu suspensijās patiešām notiek daļiņu savstarpējas sadursmes, tās nav dominējošais fragmentācijas cēlonis. Atšķirībā no molekulārajiem kristāliem metāla daļiņas triecienviļņi tieši nebojā, un tās var ietekmēt tikai intensīvākās (bet daudz retākās) daļiņu savstarpējās sadursmes. Dominējošo mehānismu maiņa, salīdzinot metāla pulveru un aspirīna suspensiju apstrādi ar ultraskaņu, izceļ kaļamo metāla daļiņu un drupano molekulāro kristālu īpašību atšķirības.“ [Zeiger/ Suslick 2011, 14532]

Aspirīna daļiņu sonofragmentācija [Zeiger/ Suslick 2011]

Gopi et al. (2008) pētīja augstas tīrības pakāpes submikrometru izmēra alumīnija oksīda keramikas daļiņu (pārsvarā izmēru diapazonā zem 100 nm) izgatavošanu no mikrometru izmēra izejmateriāla (piemēram, 70–80 μm), izmantojot sonofragmentāciju. Viņi novēroja būtiskas alumīnija oksīda keramikas daļiņu krāsas un formas izmaiņas sonofragmentācijas rezultātā. Mikronu, submikronu un nanometru izmēra daļiņas var viegli iegūt, apstrādājot ar lieljaudas ultraskaņu. Daļiņu sfēriskums palielinājās, pieaugot uzturēšanās laikam akustiskajā laukā.

Disperģēšana virsmaktīvajā vielā

Efektīvās daļiņu sašķelšanas ar ultraskaņu dēļ virsmaktīvo vielu izmantošana ir būtiska, lai novērstu iegūto submikronu un nanometru izmēra daļiņu deaglomerāciju. Jo mazāks ir daļiņu izmērs, jo lielāka ir virsmas laukuma malu attiecība; šī virsma jāpārklāj ar virsmaktīvo vielu, lai daļiņas saglabātu suspensijā un novērstu to koagulāciju (aglomerāciju). Apstrādes ar ultraskaņu priekšrocība ir disperģējošā iedarbība: vienlaikus ar malšanu un fragmentāciju ultraskaņa disperģē sasmalcināto daļiņu fragmentus kopā ar virsmaktīvo vielu, tādējādi (gandrīz) pilnībā novēršot nanodaļiņu aglomerāciju.

Rūpnieciskā ražošana

Lai piegādātu tirgum augstas kvalitātes nanomateriālu ar izcilām funkcionālām īpašībām, ir vajadzīgas uzticamas apstrādes iekārtas. Ultraskaņas iekārtas ar jaudu līdz 16kW katrai, kuras var apvienot grupās, ļauj apstrādāt praktiski neierobežotas tilpuma plūsmas. Pateicoties ultraskaņas procesu pilnīgi lineārajai mērogojamībai, ultraskaņas lietojumus var bez riska pārbaudīt laboratorijā, optimizēt galda iekārtu mērogā un pēc tam bez problēmām ieviest ražošanas līnijā. Tā kā ultraskaņas iekārtām nav nepieciešams daudz vietas, tās var pat papildus uzstādīt esošajās procesa plūsmās. Iekārtu lietošana ir vienkārša, un to darbību var uzraudzīt un vadīt attālināti, savukārt ultraskaņas sistēmas apkopes nepieciešamība ir gandrīz niecīga.

Daļiņu izmēru sadalījums un uz Bi2Te3 bāzes veidota sakausējuma SEM attēli pirms un pēc malšanas ar ultraskaņu. a – daļiņu izmēru sadalījums; b – SEM attēls pirms malšanas ar ultraskaņu; c – SEM attēls pēc 4 h malšanas ar ultraskaņu; d – SEM attēls pēc 8 h malšanas ar ultraskaņu.
avots: Marquez-Garcia et al. 2015.

Literatūra / Atsauces

• 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.