Sonofragmentation - O efeito do poder de ultra-som on Particle Breakage

Sonofragmentation descreve a quebra de partículas em fragmentos de tamanho nano por ultra-sons de alta potência. Em contraste com a deagglomeration ultra-som comum e moagem – onde as partículas são principalmente moído e separado por colisão inter-partículas – , Sono-fragementation distingue-se pela interacção directa entre a partícula e onda de choque. / Ultra-sons de alta potência baixa frequência cria cavitao e, assim, as forças de cisalhamento intenso em líquidos. As condições extremas de cavitação e colapso da bolha de colisão interparticular moer partículas para materiais de tamanho muito fino.

Ultrasonic produção e preparação de Nano Partículas

Os efeitos de ultra-som de energia para a produção de nano materiais são bem conhecidos: Dispersão, desaglomeração e trituração & Moagem, bem como fragmentação por sonicação são muitas vezes o único método eficaz para tratar partículas nano. Isto é especialmente verdadeiro quando se trata de materiais nano muito finas com funcionalidades especiais como com tamanho nano características das partículas únicas são expressos. Para criar nano-material com funcionalidades específicas, um processo de sonicação e fiável mesmo deve ser assegurada. Hielscher fornece equipamentos de ultra-som em escala de laboratório para produção comercial tamanho completo.

Sono-Fragmentação por cavitação

A entrada de forças de ultra-sons poderosos em líquidos cria condições extremas. Quando ultra-som se propaga num meio líquido, as ondas de ultra-sons resulta na compressão alternada e ciclos rarefeitos (de alta pressão e de baixa pressão ciclos). Durante os ciclos de baixa pressão, as pequenas bolhas de vácuo surgir no líquido. Estes cavitação bolhas crescem ao longo de vários ciclos de baixa pressão até atingirem um tamanho em que não pode absorver mais energia. Neste estado de máxima absorvida energia e tamanho da bolha, a cavitação bolha colapso violentamente e cria localmente condições extremas. Devido à implosão da cavitação bolhas, temperaturas muito altas de aprox. 5000K e pressões de aprox. 2000atm são alcançados localmente. A implosão resulta em jatos líquidos de até 280 m / s (≈1,000km / h) de velocidade. A fragmentação de Sono descreve o uso dessas forças intensas para fragmentar partículas em dimensões menores na faixa sub-micron e nano. Com uma sonicação progressiva, a forma das partículas passa de angular a esférica, o que torna as partículas mais valiosas. Os resultados da sonofragmentação são expressos como taxa de fragmentação que é descrita como uma função de entrada de energia, volume sonicado e o tamanho dos aglomerados.
Kusters et al. (1994) investigaram a fragmentação ultrassonicamente assistida de aglomerados em relação ao seu consumo energético. Os resultados dos pesquisadores indicam que a técnica de dispersão ultra-sônica pode ser tão eficiente quanto as técnicas de moagem convencionais. A prática industrial de dispersão ultra-sônica (por exemplo, sondas maiores, débito contínuo de suspensão) pode alterar esses resultados um pouco, mas mais-tudo o que se espera que o consumo de energia específico não é a razão para a seleção deste comminutron técnica, mas sim a sua capacidade de produzir partículas extremamente finas (submícron). " [Kusters et al. 1994] Especialmente para a erosão de pós, tais como sílica ou zircónia, a energia específica requerida por unidade de massa de pó foi encontrada para ser mais baixa por ultra-sons de moagem do que o dos métodos de moagem convencionais. Ultra-som afecta as partículas não só por meio de moagem e trituração, mas também por polir os sólidos. Desse modo, uma alta esfericidade das partículas pode ser conseguido.

Sono-fragmentação para a cristalização de Nanomateriais

“Enquanto há pouca dúvida de que as colisões interpartículas ocorrem em suspensões de cristais moleculares irradiados com ultra-som, eles não são a fonte dominante de fragmentação. Em contraste com os cristais moleculares, partículas de metal não são danificados por ondas de choque diretamente e pode ser afectada somente pela mais intensa (mas muito mais raro) colisões interpartículas. A mudança de mecanismos dominantes por sonicação de pó de metal em comparação com lamas de aspirina destaca as diferenças nas propriedades de partículas metálicas maleáveis ​​e cristais moleculares friáveis ​​“. [Zeiger / Suslick 2011, 14532]

Sonofragmentation de partículas de aspirina [Zeiger / Suslick 2011]

Gopi et al. (2008) investigaram a fabricação de partículas cerâmicas de alumina submicrômetro de alta pureza (predominantemente na faixa de sub-100 nm) de ração micrométrica (por exemplo, 70-80 μm) usando sonofragmentação. Observaram uma mudança significativa na cor e na forma de partículas cerâmicas da alumina em conseqüência do sono-fragmentação. As partículas no mícron, no submicron e na escala feita medida nano podem facilmente ser obtidas pelo sonication do poder superior. A esfericidade das partículas aumentou com o aumento do tempo de retenção no campo acústico.

Dispersão em surfactante

Devido à ruptura eficaz das partículas ultra-sons, o uso de surfactantes é essencial para evitar a desaglomeração do sub-micron e partículas nanométricas obtido. Quanto menor for o tamanho das partículas, maior a proporção apect de área de superfície, que deve ser coberto com surfactante a mantê-los em suspensão e para evitar coagualation partículas (aglomeração). A vantagem de ultra-sons reside no efeito de dispersão: Simultaneamente à moagem e fragmentação, ultra-sons dispersos os fragmentos de partículas moídas com o agente tensioactivo de modo que a aglomeração frequentemente ele nano partículas é (quase) totalmente evitada.

Produção industrial

Para servir o mercado com nano de alta qualidade que expressa funcionalidades extraordinárias, é necessário um equipamento de processamento confiável. Os ultra-sons com até 16kW por unidade que são agrupáveis ​​permitem o processamento de fluxos de volume praticamente ilimitados. Devido à escalabilidade totalmente linear dos processos ultra-sônicos, as aplicações ultra-sônicas podem ser testadas sem risco em laboratório, otimizadas em escala de bench-top e depois implementadas sem problemas na linha de produção. Como o equipamento ultra-sônico não requer um espaço grande, ele pode ser até mesmo adaptado às correntes de processo existentes. A operação é fácil e pode ser monitorada e executada por controle remoto, enquanto a manutenção de um sistema ultra-sônico é quase negligenciável.

Distribuição granulométrica e imagens SEM de liga Bi2Te3-based antes e depois de fresamento Ultrassônico. Um – Distribuição granulométrica; B – SEM imagem antes de moagem ultra-sônica; C – Imagem de SEM após fresamento Ultrassônico para 4 h; D – Imagem de SEM após fresamento Ultrassônico para 8 h.
Fonte: Marquez-Garcia et al. 2015.

Literatura / Referências