Sonofragmentacja – wpływ ultradźwięków dużej mocy na rozdrabnianie cząstek

Sonofragmentacja oznacza rozbijanie cząstek na fragmenty o rozmiarach nanometrycznych za pomocą ultradźwięków dużej mocy. W odróżnieniu od powszechnie stosowanej deaglomeracji i mielenia ultradźwiękowego – podczas których cząstki są głównie rozdrabniane i rozdzielane wskutek zderzeń międzycząstkowych – sonofragmentację wyróżnia bezpośrednie oddziaływanie między cząstką a falą uderzeniową. Ultradźwięki dużej mocy o niskiej częstotliwości wywołują kawitację, a tym samym intensywne siły ścinające w cieczach. Ekstremalne warunki zapadania się pęcherzyków kawitacyjnych oraz zderzenia międzycząstkowe rozdrabniają cząstki, tworząc materiał o bardzo małych rozmiarach cząstek.

Ultradźwiękowe wytwarzanie i przygotowanie nanocząstek

Wpływ ultradźwięków dużej mocy na wytwarzanie nanomateriałów jest dobrze znany: dyspergowanie, deaglomeracja, mielenie i rozdrabnianie, a także fragmentacja przez sonikację są często jedyną skuteczną metodą obróbki nanocząstek. Dotyczy to zwłaszcza bardzo drobnych nanomateriałów o szczególnych właściwościach funkcjonalnych, ponieważ przy rozmiarach nanometrycznych ujawniają się unikalne cechy cząstek. Aby wytworzyć nanomateriał o określonych właściwościach funkcjonalnych, należy zapewnić równomierny i niezawodny proces sonikacji. Hielscher dostarcza urządzenia ultradźwiękowe od skali laboratoryjnej po pełną skalę produkcji komercyjnej.

Sonofragmentacja za pomocą kawitacji

Wprowadzenie silnych oddziaływań ultradźwiękowych do cieczy tworzy ekstremalne warunki. Gdy ultradźwięki rozchodzą się w ośrodku ciekłym, fale ultradźwiękowe powodują naprzemienne cykle sprężania i rozrzedzania (cykle wysokiego i niskiego ciśnienia). Podczas cykli niskiego ciśnienia w cieczy powstają małe pęcherzyki próżniowe. Te pęcherzyki kawitacyjne rosną przez kilka cykli niskiego ciśnienia, aż osiągną rozmiar, przy którym nie mogą pochłaniać więcej energii. W tym stanie maksymalnej pochłoniętej energii i maksymalnego rozmiaru pęcherzyk kawitacyjny gwałtownie się zapada, tworząc lokalnie ekstremalne warunki. W wyniku implozji pęcherzyków kawitacyjnych lokalnie osiągane są bardzo wysokie temperatury, wynoszące około 5000K, oraz ciśnienia wynoszące około 2000atm. Implozja powoduje powstawanie strug cieczy o prędkości do 280m/s (≈1000km/h). Sonofragmentacja oznacza wykorzystanie tych intensywnych sił do rozbijania cząstek na mniejsze fragmenty o rozmiarach submikronowych i nanometrycznych. W miarę postępu sonikacji kształt cząstek zmienia się z kanciastego na kulisty, co zwiększa ich wartość. Wyniki sonofragmentacji wyraża się jako szybkość fragmentacji, opisywaną jako funkcję dostarczanej mocy, objętości poddawanej sonikacji i rozmiaru aglomeratów.
Kusters i wsp. (1994) badali wspomaganą ultradźwiękami fragmentację aglomeratów w odniesieniu do jej zużycia energii. Wyniki badaczy „wskazują, że technika dyspergowania ultradźwiękowego może być równie efektywna jak konwencjonalne techniki rozdrabniania. Przemysłowe stosowanie dyspergowania ultradźwiękowego (np. większe sondy, ciągły przepływ zawiesiny) może nieco zmienić te wyniki, jednak ogólnie oczekuje się, że powodem wyboru tej techniki rozdrabniania nie jest jednostkowe zużycie energii, lecz jej zdolność do wytwarzania niezwykle drobnych (submikronowych) cząstek”. [Kusters et al. 1994] Zwłaszcza w przypadku proszków ulegających erozji, takich jak krzemionka lub tlenek cyrkonu, stwierdzono, że jednostkowa energia wymagana na jednostkę masy proszku jest niższa przy rozdrabnianiu ultradźwiękowym niż przy konwencjonalnych metodach rozdrabniania. Sonikacja oddziałuje na cząstki nie tylko przez mielenie i rozdrabnianie, lecz także przez polerowanie ciał stałych. Dzięki temu można osiągnąć wysoką sferyczność cząstek.

Sonofragmentacja w krystalizacji nanomateriałów

„Chociaż nie ma większych wątpliwości, że w zawiesinach kryształów molekularnych poddawanych działaniu ultradźwięków występują zderzenia międzycząstkowe, nie są one dominującym źródłem fragmentacji. W odróżnieniu od kryształów molekularnych cząstki metali nie są uszkadzane bezpośrednio przez fale uderzeniowe i mogą podlegać oddziaływaniu jedynie intensywniejszych (ale znacznie rzadszych) zderzeń międzycząstkowych. Zmiana dominujących mechanizmów podczas sonikacji proszków metali w porównaniu z zawiesinami aspiryny uwydatnia różnice we właściwościach plastycznych cząstek metali i kruchych kryształów molekularnych”. [Zeiger/ Suslick 2011, 14532]

Sonofragmentacja cząstek aspiryny [Zeiger/ Suslick 2011]

Gopi i wsp. (2008) badali wytwarzanie submikrometrowych cząstek ceramicznych tlenku glinu o wysokiej czystości (głównie w zakresie sub-100 nm) z materiału wyjściowego o rozmiarach mikrometrowych (np. 70–80 μm) za pomocą sonofragmentacji. Zaobserwowali znaczną zmianę barwy i kształtu cząstek ceramicznych tlenku glinu w wyniku sonofragmentacji. Cząstki o rozmiarach mikrometrowych, submikrometrowych i nanometrycznych można łatwo uzyskać przez sonikację dużej mocy. Sferyczność cząstek wzrastała wraz z wydłużaniem czasu przebywania w polu akustycznym.

Dyspergowanie w środku powierzchniowo czynnym

Ze względu na skuteczne ultradźwiękowe rozbijanie cząstek stosowanie środków powierzchniowo czynnych jest niezbędne, aby zapobiec deaglomeracji uzyskanych cząstek o rozmiarach submikronowych i nanometrycznych. Im mniejszy rozmiar cząstek, tym wyższy współczynnik proporcji powierzchni, którą należy pokryć środkiem powierzchniowo czynnym, aby utrzymać cząstki w zawiesinie i uniknąć ich koagulacji (aglomeracji). Zaletą sonikacji jest efekt dyspergujący: równocześnie z rozdrabnianiem i fragmentacją ultradźwięki dyspergują rozdrobnione fragmenty cząstek z użyciem środka powierzchniowo czynnego, dzięki czemu aglomeracji nanocząstek unika się (niemal) całkowicie.

Produkcja przemysłowa

Aby dostarczać na rynek wysokiej jakości nanomateriały o wyjątkowych właściwościach funkcjonalnych, potrzebne są niezawodne urządzenia procesowe. Sonikatory o mocy do 16kW na urządzenie, które można łączyć w zespoły, umożliwiają przetwarzanie strumieni o praktycznie nieograniczonym natężeniu przepływu objętościowego. Dzięki w pełni liniowej skalowalności procesów ultradźwiękowych zastosowania ultradźwięków można bez ryzyka testować w laboratorium, optymalizować w skali stanowiska stołowego, a następnie bez problemów wdrażać na linii produkcyjnej. Ponieważ urządzenia ultradźwiękowe nie wymagają dużej przestrzeni, można je nawet instalować w istniejących ciągach procesowych. Obsługa jest łatwa, a pracę można monitorować i prowadzić zdalnie, podczas gdy wymagania konserwacyjne systemu ultradźwiękowego są niemal pomijalne.

Rozkład wielkości cząstek i obrazy SEM stopu na bazie Bi2Te3 przed mieleniem ultradźwiękowym i po nim. a – rozkład wielkości cząstek; b – obraz SEM przed mieleniem ultradźwiękowym; c – obraz SEM po mieleniu ultradźwiękowym przez 4 h; d – obraz SEM po mieleniu ultradźwiękowym przez 8 h.
źródło: Marquez-Garcia et al. 2015.

Literatura / Źródła

• 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.