Sonofragmentarea – efectul ultrasunetelor de putere asupra ruperii particulelor

Sonofragmentarea descrie ruperea particulelor în fragmente de dimensiuni nanometrice cu ajutorul ultrasunetelor de mare putere. Spre deosebire de dezaglomerarea și măcinarea ultrasonică obișnuite – în care particulele sunt în principal măcinate și separate prin coliziuni între particule –, sonofragmentarea se distinge prin interacțiunea directă dintre particulă și unda de șoc. Ultrasunetele de mare putere/ frecvență joasă generează cavitație și, prin aceasta, forțe de forfecare intense în lichide. Condițiile extreme ale colapsului bulelor de cavitație și coliziunile dintre particule macină particulele până la un material de dimensiuni foarte fine.

Producerea și prepararea nanoparticulelor cu ultrasunete

Efectele ultrasunetelor de putere în producția de nanomateriale sunt bine cunoscute: dispersarea, dezaglomerarea și măcinarea și mărunțirea, precum și fragmentarea prin sonicare reprezintă adesea singura metodă eficientă de tratare a nanoparticulelor. Acest lucru este valabil în special în cazul nanomaterialelor foarte fine cu funcționalități speciale, deoarece la dimensiuni nanometrice se manifestă caracteristici unice ale particulelor. Pentru a crea nanomateriale cu funcționalități specifice, trebuie asigurat un proces de sonicare uniform și fiabil. Hielscher furnizează echipamente cu ultrasunete de la scară de laborator până la dimensiuni de producție comercială completă.

Sono-fragmentarea prin cavitație

Introducerea unor forțe ultrasonice puternice în lichide creează condiții extreme. Atunci când ultrasunetele se propagă printr-un mediu lichid, undele ultrasonice produc cicluri alternante de compresie și rarefiere (cicluri de înaltă presiune și de joasă presiune). În timpul ciclurilor de joasă presiune, în lichid apar mici bule de vid. Aceste bule de cavitație cresc pe parcursul mai multor cicluri de joasă presiune până când ating o dimensiune la care nu mai pot absorbi energie. În această stare de energie absorbită maximă și de dimensiune maximă a bulei, bula de cavitație colapsează violent și creează local condiții extreme. Din cauza imploziei bulelor de cavitație se ating local temperaturi foarte ridicate, de aprox. 5000K, și presiuni de aprox. 2000atm. Implozia generează jeturi de lichid cu viteze de până la 280m/s (≈1000km/h). Sono-fragmentarea descrie utilizarea acestor forțe intense pentru a fragmenta particulele la dimensiuni mai mici, în domeniul submicronic și nanometric. Pe măsură ce sonicarea avansează, forma particulelor se schimbă de la unghiulară la sferică, ceea ce face particulele mai valoroase. Rezultatele sonofragmentării sunt exprimate ca rată de fragmentare, care este descrisă ca funcție de puterea introdusă, de volumul sonicat și de dimensiunea aglomeratelor.
Kusters et al. (1994) au investigat fragmentarea asistată de ultrasunete a aglomeratelor în raport cu consumul său de energie. Rezultatele cercetătorilor „indică faptul că tehnica de dispersare cu ultrasunete poate fi la fel de eficientă ca tehnicile convenționale de măcinare. Practica industrială a dispersării cu ultrasunete (de ex. sonotrode mai mari, procesarea continuă a suspensiei) poate modifica oarecum aceste rezultate, dar, în ansamblu, se așteaptă ca motivul alegerii acestei tehnici de mărunțire să nu fie consumul specific de energie, ci mai degrabă capacitatea sa de a produce particule extrem de fine (submicronice).” [Kusters et al. 1994] În special pentru pulberile erozive, precum silicea sau oxidul de zirconiu, s-a constatat că energia specifică necesară pe unitatea de masă de pulbere este mai mică în cazul măcinării cu ultrasunete decât în cazul metodelor convenționale de măcinare. Ultrasonicarea acționează asupra particulelor nu numai prin măcinare și mărunțire, ci și prin lustruirea solidelor. Astfel se poate obține o sfericitate ridicată a particulelor.

Sono-fragmentarea pentru cristalizarea nanomaterialelor

„Deși nu există aproape nicio îndoială că în suspensiile de cristale moleculare iradiate cu ultrasunete au loc coliziuni între particule, acestea nu reprezintă sursa dominantă a fragmentării. Spre deosebire de cristalele moleculare, particulele metalice nu sunt deteriorate direct de undele de șoc și pot fi afectate doar de coliziunile mai intense (dar mult mai rare) dintre particule. Schimbarea mecanismelor dominante la sonicarea pulberilor metalice comparativ cu suspensiile de aspirină evidențiază diferențele dintre proprietățile particulelor metalice maleabile și ale cristalelor moleculare friabile.” [Zeiger/ Suslick 2011, 14532]

Sonofragmentarea particulelor de aspirină [Zeiger/ Suslick 2011]

Gopi et al. (2008) au investigat fabricarea unor particule ceramice de alumină submicrometrice de înaltă puritate (predominant în domeniul sub 100 nm) dintr-un material de alimentare de dimensiuni micrometrice (de ex. 70–80 μm), folosind sonofragmentarea. Aceștia au observat o modificare semnificativă a culorii și formei particulelor ceramice de alumină ca urmare a sono-fragmentării. Particulele din domeniul micronic, submicronic și nanometric pot fi obținute cu ușurință prin sonicare de mare putere. Sfericitatea particulelor a crescut odată cu creșterea timpului de retenție în câmpul acustic.

Dispersarea în surfactant

Datorită ruperii eficiente a particulelor cu ultrasunete, utilizarea surfactanților este esențială pentru a preveni dezaglomerarea particulelor submicronice și nanometrice obținute. Cu cât dimensiunea particulelor este mai mică, cu atât este mai mare raportul de aspect al suprafeței, care trebuie acoperită cu surfactant pentru a menține particulele în suspensie și pentru a evita coagularea (aglomerarea) acestora. Avantajul ultrasonicării constă în efectul de dispersare: simultan cu măcinarea și fragmentarea, ultrasunetele dispersează fragmentele de particule măcinate împreună cu surfactantul, astfel încât aglomerarea nanoparticulelor este evitată (aproape) complet.

Producția industrială

Pentru a aproviziona piața cu nanomateriale de înaltă calitate, care prezintă funcționalități extraordinare, este necesar un echipament de procesare fiabil. Ultrasonicatoarele de până la 16kW per unitate, care pot fi grupate în clustere, permit procesarea unor fluxuri de volum practic nelimitate. Datorită scalabilității complet liniare a proceselor cu ultrasunete, aplicațiile cu ultrasunete pot fi testate fără riscuri în laborator, optimizate la scară de banc și apoi implementate fără probleme în linia de producție. Deoarece echipamentul cu ultrasunete nu necesită mult spațiu, acesta poate fi chiar integrat ulterior în fluxurile de proces existente. Operarea este simplă și poate fi monitorizată și efectuată prin control de la distanță, în timp ce întreținerea unui sistem cu ultrasunete este aproape neglijabilă.

Distribuția dimensiunii particulelor și imagini SEM ale aliajului pe bază de Bi2Te3 înainte și după măcinarea cu ultrasunete. a – distribuția dimensiunii particulelor; b – imagine SEM înainte de măcinarea cu ultrasunete; c – imagine SEM după 4 h de măcinare cu ultrasunete; d – imagine SEM după 8 h de măcinare cu ultrasunete.
sursa: Marquez-Garcia et al. 2015.

Literatură / Referințe

• 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.