Sonofragmentação – O efeito dos ultrassons de potência na quebra de partículas

A sonofragmentação descreve a quebra de partículas em fragmentos de dimensão nanométrica por ultrassons de alta potência. Ao contrário da desaglomeração e da moagem ultrassónicas comuns – em que as partículas são principalmente trituradas e separadas por colisões entre partículas –, a sonofragmentação distingue-se pela interação direta entre a partícula e a onda de choque. Os ultrassons de alta potência/baixa frequência criam cavitação e, assim, forças intensas de cisalhamento nos líquidos. As condições extremas do colapso das bolhas de cavitação e das colisões entre partículas trituram as partículas, produzindo material de dimensão muito fina.

Produção e preparação ultrassónicas de nanopartículas

Os efeitos dos ultrassons de potência na produção de nanomateriais são bem conhecidos: a dispersão, a desaglomeração, a moagem e a trituração, bem como a fragmentação por sonicação, são frequentemente o único método eficaz para tratar nanopartículas. Isto é especialmente verdade no caso de nanomateriais muito finos com funcionalidades especiais, uma vez que, à escala nanométrica, se manifestam características únicas das partículas. Para criar nanomateriais com funcionalidades específicas, é necessário assegurar um processo de sonicação uniforme e fiável. A Hielscher fornece equipamento ultrassónico desde a escala laboratorial até à escala de produção comercial plena.

Sonofragmentação por cavitação

A introdução de forças ultrassónicas potentes nos líquidos cria condições extremas. Quando os ultrassons se propagam num meio líquido, as ondas ultrassónicas originam ciclos alternados de compressão e rarefação (ciclos de alta pressão e de baixa pressão). Durante os ciclos de baixa pressão, surgem pequenas bolhas de vácuo no líquido. Estas bolhas de cavitação crescem ao longo de vários ciclos de baixa pressão até atingirem uma dimensão em que já não conseguem absorver mais energia. Neste estado de energia absorvida e dimensão máximas, a bolha de cavitação colapsa violentamente e cria condições localmente extremas. Devido à implosão das bolhas de cavitação , atingem-se localmente temperaturas muito elevadas, de aprox. 5000K, e pressões de aprox. 2000atm. A implosão origina jatos de líquido com velocidades de até 280m/s (≈1000km/h). A sonofragmentação descreve a utilização destas forças intensas para fragmentar partículas em dimensões menores, nas gamas submicrométrica e nanométrica. À medida que a sonicação progride, a forma das partículas passa de angular a esférica, tornando-as mais valiosas. Os resultados da sonofragmentação são expressos como uma taxa de fragmentação, descrita em função da potência aplicada, do volume sonicado e da dimensão dos aglomerados.
Kusters et al. (1994) investigaram a fragmentação de aglomerados assistida por ultrassons em relação ao seu consumo de energia. Os resultados dos investigadores «indicam que a técnica de dispersão ultrassónica pode ser tão eficiente como as técnicas convencionais de trituração. A prática industrial da dispersão ultrassónica (por exemplo, sondas maiores, processamento contínuo da suspensão) pode alterar um pouco estes resultados, mas, de modo geral, espera-se que o consumo específico de energia não seja a razão para a seleção desta técnica de cominuição, mas sim a sua capacidade de produzir partículas extremamente finas (submicrométricas).» [Kusters et al. 1994] Especialmente no caso de pós sujeitos a erosão, como a sílica ou a zircónia, verificou-se que a energia específica necessária por unidade de massa de pó era inferior na trituração ultrassónica à dos métodos convencionais de trituração. A aplicação de ultrassons afeta as partículas não só através da moagem e da trituração, mas também através do polimento dos sólidos. Deste modo, pode obter-se uma elevada esfericidade das partículas.

Sonofragmentação para a cristalização de nanomateriais

«Embora haja poucas dúvidas de que ocorrem colisões entre partículas em suspensões de cristais moleculares irradiadas com ultrassons, estas não são a principal origem da fragmentação. Ao contrário dos cristais moleculares, as partículas metálicas não são danificadas diretamente pelas ondas de choque e só podem ser afetadas pelas colisões entre partículas, mais intensas (mas muito mais raras). A mudança dos mecanismos dominantes na sonicação de pós metálicos em comparação com suspensões de aspirina realça as diferenças nas propriedades das partículas metálicas maleáveis e dos cristais moleculares friáveis.» [Zeiger/ Suslick 2011, 14532]

Sonofragmentação de partículas de aspirina [Zeiger/ Suslick 2011]

Gopi et al. (2008) investigaram o fabrico de partículas cerâmicas de alumina submicrométricas de elevada pureza (predominantemente na gama inferior a 100 nm) a partir de material de alimentação de dimensão micrométrica (por exemplo, 70–80 μm), utilizando sonofragmentação. Observaram uma alteração significativa na cor e na forma das partículas cerâmicas de alumina como resultado da sonofragmentação. Podem obter-se facilmente partículas nas gamas micrométrica, submicrométrica e nanométrica através de sonicação de alta potência. A esfericidade das partículas aumentou com o aumento do tempo de permanência no campo acústico.

Dispersão em tensioativo

Devido à quebra eficaz das partículas por ultrassons, a utilização de tensioativos é essencial para evitar a desaglomeração das partículas submicrométricas e nanométricas obtidas. Quanto menor for a dimensão das partículas, maior será a relação de aspeto da área superficial, que deve ser coberta com tensioativo para as manter em suspensão e evitar a coagulação (aglomeração) das partículas. A vantagem da aplicação de ultrassons reside no efeito de dispersão: em simultâneo com a trituração e a fragmentação, os ultrassons dispersam os fragmentos de partículas trituradas com o tensioativo, de modo que a aglomeração das nanopartículas é (quase) completamente evitada.

Produção industrial

Para fornecer ao mercado nanomateriais de elevada qualidade que apresentem funcionalidades extraordinárias, é necessário equipamento de processamento fiável. Os sonicadores com até 16kW por unidade, que podem ser agrupados, permitem o processamento de fluxos de volume praticamente ilimitado. Devido à escalabilidade totalmente linear dos processos ultrassónicos, as aplicações ultrassónicas podem ser testadas sem risco em laboratório, otimizadas à escala de bancada e depois implementadas sem problemas na linha de produção. Como o equipamento ultrassónico não requer muito espaço, pode até ser integrado posteriormente em fluxos de processo existentes. A operação é fácil e pode ser monitorizada e executada por controlo remoto, enquanto a manutenção de um sistema ultrassónico é quase negligenciável.

Distribuição da dimensão das partículas e imagens de microscopia eletrónica de varrimento (SEM) de uma liga à base de Bi2Te3 antes e depois da moagem ultrassónica. a – Distribuição da dimensão das partículas; b – Imagem SEM antes da moagem ultrassónica; c – Imagem SEM após moagem ultrassónica durante 4 h; d – Imagem SEM após moagem ultrassónica durante 8 h.
fonte: Marquez-Garcia et al. 2015.

Bibliografia / Referências

• 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.