Sonofragmentatie – Het effect van krachtig ultrageluid op het breken van deeltjes

Sonofragmentatie beschrijft het breken van deeltjes tot fragmenten op nanoschaal door ultrageluid met hoog vermogen. In tegenstelling tot de gebruikelijke ultrasone deagglomeratie en vermaling – waarbij deeltjes voornamelijk worden vermalen en gescheiden door botsingen tussen deeltjes – onderscheidt sonofragmentatie zich door de directe interactie tussen het deeltje en de schokgolf. Ultrageluid met hoog vermogen en lage frequentie veroorzaakt cavitatie en daardoor intense afschuifkrachten in vloeistoffen. De extreme omstandigheden bij het instorten van cavitatiebellen en bij botsingen tussen deeltjes vermalen deeltjes tot zeer fijn materiaal.

Ultrasone productie en bereiding van nanodeeltjes

De effecten van krachtig ultrageluid bij de productie van nanomaterialen zijn algemeen bekend: dispergeren, deagglomeratie, vermalen en fijnmalen, evenals fragmentatie door sonicatie, zijn vaak de enige effectieve methode voor de behandeling van nanodeeltjes. Dit geldt vooral voor zeer fijne nanomaterialen met bijzondere functionaliteiten, omdat op nanoschaal unieke deeltjeseigenschappen tot uiting komen. Om nanomateriaal met specifieke functionaliteiten te maken, moet een gelijkmatig en betrouwbaar sonicatieproces worden gewaarborgd. Hielscher levert ultrasone apparatuur van laboratoriumschaal tot de schaal van volledige commerciële productie.

Sonofragmentatie door cavitatie

Het inbrengen van krachtige ultrasone krachten in vloeistoffen creëert extreme omstandigheden. Wanneer ultrageluid zich door een vloeibaar medium voortplant, veroorzaken de ultrasone golven afwisselende compressie- en expansiecycli (cycli met hoge en lage druk). Tijdens de lagedrukcycli ontstaan kleine vacuümbellen in de vloeistof. Deze door cavitatie gevormde bellen groeien gedurende meerdere lagedrukcycli totdat ze een grootte bereiken waarbij ze geen energie meer kunnen opnemen. In deze toestand van maximaal opgenomen energie en maximale belgrootte stort de cavitatiebel heftig in en creëert plaatselijk extreme omstandigheden. Door de implosie van de door cavitatie gevormde bellen worden plaatselijk zeer hoge temperaturen van ca. 5000K en drukken van ca. 2000atm bereikt. De implosie leidt tot vloeistofstralen met snelheden tot 280m/s (≈1000km/h). Sonofragmentatie beschrijft het gebruik van deze intense krachten om deeltjes te fragmenteren tot kleinere afmetingen in het submicron- en nanobereik. Naarmate de sonicatie vordert, verandert de deeltjesvorm van hoekig naar bolvormig, waardoor de deeltjes waardevoller worden. De resultaten van sonofragmentatie worden uitgedrukt als fragmentatiesnelheid, die wordt beschreven als een functie van het toegevoerde vermogen, het aan sonicatie onderworpen volume en de grootte van de agglomeraten.
Kusters et al. (1994) onderzochten de ultrasoon ondersteunde fragmentatie van agglomeraten in relatie tot het energieverbruik ervan. De resultaten van de onderzoekers „geven aan dat de ultrasone dispersietechniek even efficiënt kan zijn als conventionele maaltechnieken. De industriële toepassing van ultrasone dispersie (bijv. grotere sondes, continue doorvoer van suspensie) kan deze resultaten enigszins veranderen, maar over het algemeen wordt verwacht dat het specifieke energieverbruik niet de reden is om deze verkleiningstechniek te kiezen, maar eerder het vermogen ervan om extreem fijne (submicron) deeltjes te produceren.“ [Kusters et al. 1994] Vooral bij eroderende poeders zoals silica of zirkoniumdioxide bleek de specifieke energiebehoefte per eenheid poedermassa bij ultrasoon malen lager te zijn dan bij conventionele maalmethoden. Ultrasone behandeling beïnvloedt de deeltjes niet alleen door vermalen en fijnmalen, maar ook door de vaste stoffen te polijsten. Daardoor kan een hoge bolvormigheid van de deeltjes worden bereikt.

Sonofragmentatie voor de kristallisatie van nanomaterialen

„Hoewel er weinig twijfel over bestaat dat botsingen tussen deeltjes optreden in suspensies van moleculaire kristallen die met ultrageluid worden bestraald, zijn deze niet de dominante oorzaak van fragmentatie. In tegenstelling tot moleculaire kristallen worden metaaldeeltjes niet rechtstreeks door schokgolven beschadigd en kunnen ze alleen worden beïnvloed door de intensere (maar veel zeldzamere) botsingen tussen deeltjes. De verschuiving in dominante mechanismen bij de sonicatie van metaalpoeders ten opzichte van aspirinesuspensies benadrukt de verschillen in eigenschappen tussen vervormbare metaaldeeltjes en brokkelige moleculaire kristallen.“ [Zeiger/ Suslick 2011, 14532]

Sonofragmentatie van aspirinedeeltjes [Zeiger/ Suslick 2011]

Gopi et al. (2008) onderzochten de productie van zeer zuivere keramische aluminiumoxidedeeltjes met afmetingen kleiner dan een micrometer (voornamelijk in het bereik onder 100 nm) uit uitgangsmateriaal met afmetingen op micrometerschaal (bijv. 70–80 μm) met behulp van sonofragmentatie. Zij namen een significante verandering in kleur en vorm van keramische aluminiumoxidedeeltjes waar als gevolg van sonofragmentatie. Deeltjes in het micron-, submicron- en nanobereik kunnen gemakkelijk worden verkregen door sonicatie met hoog vermogen. De bolvormigheid van de deeltjes nam toe met een langere verblijftijd in het akoestische veld.

Dispersie in een oppervlakteactieve stof

Vanwege het effectieve ultrasone breken van deeltjes is het gebruik van oppervlakteactieve stoffen essentieel om deagglomeratie van de verkregen deeltjes in het submicron- en nanobereik te voorkomen. Hoe kleiner de deeltjesgrootte, hoe hoger de aspectverhouding van het oppervlak, dat met een oppervlakteactieve stof moet worden bedekt om de deeltjes in suspensie te houden en coagulatie (agglomeratie) van de deeltjes te voorkomen. Het voordeel van ultrasone behandeling ligt in het dispergerende effect: tegelijk met het fijnmalen en fragmenteren dispergeerde het ultrageluid de vermalen deeltjesfragmenten met de oppervlakteactieve stof, zodat agglomeratie van de nanodeeltjes (bijna) volledig wordt voorkomen.

Industriële productie

Om de markt te voorzien van hoogwaardig nanomateriaal met buitengewone functionaliteiten, is betrouwbare verwerkingsapparatuur nodig. Sonicatoren met maximaal 16kW per eenheid, die in clusters kunnen worden gecombineerd, maken de verwerking van vrijwel onbeperkte volumestromen mogelijk. Dankzij de volledig lineaire schaalbaarheid van ultrasone processen kunnen ultrasone toepassingen zonder risico in het laboratorium worden getest, op benchtopschaal worden geoptimaliseerd en vervolgens probleemloos in de productielijn worden geïmplementeerd. Omdat de ultrasone apparatuur weinig ruimte nodig heeft, kan deze zelfs achteraf in bestaande processtromen worden ingebouwd. De bediening is eenvoudig en kan via afstandsbediening worden bewaakt en uitgevoerd, terwijl het onderhoud van een ultrasoon systeem vrijwel verwaarloosbaar is.

Deeltjesgrootteverdeling en SEM-beelden van een legering op basis van Bi2Te3 vóór en na ultrasoon malen. a – Deeltjesgrootteverdeling; b – SEM-beeld vóór ultrasoon malen; c – SEM-beeld na ultrasoon malen gedurende 4 h; d – SEM-beeld na ultrasoon malen gedurende 8 h.
bron: Marquez-Garcia et al. 2015.

Literatuur / Referenties

• 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.