Sonofragmentarea – Efectul ultrasunetelor de putere asupra ruperii particulelor

Sonofragmentarea descrie ruperea particulelor în fragmente de dimensiuni nanometrice prin ultrasunete de mare putere. Spre deosebire de dezaglomerarea și frezarea comună cu ultrasunete – unde particulele sunt în principal măcinate și separate prin coliziune între particule – , sono-parfumarea se distinge prin interacțiunea directă dintre particulă și unda de șoc. Ultrasunetele de mare putere / joasă frecvență creează cavitație și, prin urmare, forțe intense de forfecare în lichide. Condițiile extreme de colaps al bulelor cavitaționale și de coliziune interparticulară macină particulele într-un material de dimensiuni foarte fine.

Producția cu ultrasunete și prepararea de nanoparticule

Efectele ultrasunetelor de putere pentru producerea nanomaterialelor sunt binecunoscute: dispersie, dezaglomerare și frezare & Măcinarea, precum și fragmentarea prin sonicare sunt adesea singura metodă eficientă de tratare nanoparticule. Acest lucru este valabil mai ales atunci când vine vorba de nanomateriale foarte fine cu funcții speciale, cum ar fi dimensiunea nano, sunt exprimate caracteristici unice ale particulelor. Pentru a crea nano material cu funcționalități specifice, trebuie asigurat un proces de sonicare uniform și fiabil. Hielscher furnizează echipamente cu ultrasunete de la scară de laborator la dimensiunea completă a producției comerciale.

Sono-fragmentarea prin cavitație

Introducerea forțelor ultrasonice puternice în lichide creează condiții extreme. Când ultrasunetele propagă un mediu lichid, undele ultrasonice au ca rezultat cicluri alternative de compresie și rarefiere (cicluri de înaltă presiune și joasă presiune). În timpul ciclurilor de joasă presiune, în lichid apar bule mici de vid. Acești Cavitaţie Bulele cresc de-a lungul mai multor cicluri de joasă presiune până când ating o dimensiune când nu pot absorbi mai multă energie. În această stare de energie maximă absorbită și dimensiunea bulei, bula de cavitație se prăbușește violent și creează condiții locale extreme. Datorită imploziei Cavitaţie bule, temperaturi foarte ridicate de aproximativ 5000K și presiuni de aproximativ 2000atm sunt atinse local. Implozia are ca rezultat jeturi lichide cu o viteză de până la 280 m/s (≈1000 km/h). Sono-fragmentarea descrie utilizarea acestor forțe intense pentru a fragmenta particulele la dimensiuni mai mici în gama submicronică și nano. Cu o sonicare progresivă, forma particulelor se transformă de la unghiular la sferic, ceea ce face particulele mai valoroase. Rezultatele sonofragmentării sunt exprimate ca rata de fragmentare care este descrisă ca o funcție a puterii de intrare, a volumului sonicat și a dimensiunii aglomeratelor.
Kusters et al. (1994) au investigat fragmentarea ultrasonically asistată a aglomeratelor în raport cu consumul său de energie. Rezultatele cercetătorilor "indică faptul că tehnica de dispersie cu ultrasunete poate fi la fel de eficientă ca tehnicile convenționale de măcinare. Practica industrială a dispersiei cu ultrasunete (de exemplu, sonde mai mari, debit continuu de suspensie) poate modifica aceste rezultate într-o oarecare măsură, dar, în general, este de așteptat ca consumul specific de energie să nu fie motivul pentru selectarea acestei tehnici comminutron, ci mai degrabă capacitatea sa de a produce particule extrem de fine (submicronice). [Kusters și colab. 1994] În special pentru erodarea pulberilor, cum ar fi Siliciu sau zirconiu, energia specifică necesară pe unitatea de masă pulbere sa dovedit a fi mai mică prin măcinare cu ultrasunete decât cea a metodelor convenționale de măcinare. Ultrasonication afectează particulele nu numai prin frezare și măcinare, dar, de asemenea, prin lustruirea solidelor. Astfel, se poate obține o sfericitate ridicată a particulelor.

Sono-fragmentarea pentru cristalizarea nanomaterialelor

"Deși nu există nicio îndoială că coliziunile interparticulelor apar în suspensiile cristalelor moleculare iradiate cu ultrasunete, acestea nu sunt sursa dominantă de fragmentare. Spre deosebire de cristalele moleculare, particulele metalice nu sunt deteriorate direct de undele de șoc și pot fi afectate numai de coliziunile interparticulelor mai intense (dar mult mai rare). Schimbarea mecanismelor dominante pentru sonicarea pulberilor metalice față de suspensiile de aspirină evidențiază diferențele dintre proprietățile particulelor metalice maleabile și cristalele moleculare friabile. [Zeiger / Suslick 2011, 14532]

Sonofragmentarea particulelor de aspirină [Zeiger/ Suslick 2011]

Gopi et al. (2008) au investigat fabricarea particulelor ceramice de alumină submicrometrică de înaltă puritate (predominant în domeniul sub-100 nm) din furaje de dimensiuni micrometrice (de exemplu, 70-80 μm) folosind sonofragmentarea. Ei au observat o schimbare semnificativă a culorii și formei particulelor ceramice de alumină ca urmare a sono-fragmentării. Particulele în microni, submicroni și nano dimensiuni pot fi ușor obținute prin sonicare de mare putere. Sfericitatea particulelor a crescut odată cu creșterea timpului de retenție în câmpul acustic.

Dispersia în agentul tensioactiv

Datorită ruperii eficiente a particulelor cu ultrasunete, utilizarea agenților tensioactivi este esențială pentru a preveni dezaglomerarea particulelor sub-micronice și nano-dimensionate obținute. Cu cât dimensiunea particulelor este mai mică, cu atât este mai mare raportul apect al suprafeței, care trebuie acoperită cu agent tensioactiv pentru a le menține în suspensie și pentru a evita coagualarea (aglomerarea) particulelor. Avantajul ultrasonication constă în efectul de dispersare: Simultan cu măcinarea și fragmentarea, ultrasunetele au dispersat fragmentele de particule măcinate cu surfactantul, astfel încât aglomerarea nanoparticulelor este (aproape) complet evitată.

Producția industrială

Pentru a servi piața cu nanomateriale de înaltă calitate care exprimă funcționalități extraordinare, sunt necesare echipamente de procesare fiabile. Ultrasonicators cu până la 16kW pe unitate, care sunt clusterizabile permit fort he de prelucrare a fluxurilor de volum practic nelimitat. Datorită scalabilității complet liniare a proceselor cu ultrasunete, aplicațiile cu ultrasunete pot fi testate fără riscuri în laborator, optimizate la scară banc-top și apoi implementate fără probleme în linia de producție. Deoarece echipamentul cu ultrasunete nu necesită un spațiu mare, acesta poate fi chiar modernizat în fluxurile de proces existente. Operațiunea este ușoară și poate fi monitorizată și rulată prin telecomandă, 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 frezarea cu ultrasunete. un – Distribuția dimensiunii particulelor; b – Imagine SEM înainte de frezarea cu ultrasunete; c – Imagine SEM după frezare cu ultrasunete timp de 4 ore; d – Imagine SEM după frezarea cu ultrasunete timp de 8 ore.
sursa: Marquez-Garcia et al. 2015.

Literatură / Referințe