Сонофрагментация – влияние силового ультразвука на разрушение частиц

Сонофрагментация описывает разбиение частиц на наноразмерные фрагменты с помощью ультразвука высокой мощности. В отличие от обычной ультразвуковой деагломерации и фрезерования – где частицы в основном измельчаются и разделяются при столкновении между частицами – , сонофракция отличается прямым взаимодействием между частицей и ударной волной. Высокая мощность / низкая частота ультразвука создает кавитацию и, следовательно, интенсивные силы сдвига в жидкостях. Экстремальные условия кавитационного схлопывания пузырьков и межвидовых столкновений измельчают частицы до материала очень мелкого размера.

Ультразвуковое производство и подготовка наночастиц

Хорошо известны эффекты силового ультразвука для производства наноматериалов: диспергирование, деагломерация и измельчение & Шлифовка, а также дробление ультразвуком часто являются единственным эффективным методом лечения наночастицы. Это особенно верно, когда речь идет об очень тонких наноматериалах с особыми функциональными свойствами, так как в наноразмерах проявляются уникальные характеристики частиц. Для создания наноматериала с определенными функциональными возможностями необходимо обеспечить равномерный и надежный процесс ультразвуковой обработки. Hielscher поставляет ультразвуковое оборудование от лабораторных масштабов до полномасштабного промышленного производства.

Сонофрагментация кавитацией

Поступление мощных ультразвуковых сил в жидкости создает экстремальные условия. Когда ультразвук распространяется на жидкую среду, ультразвуковые волны приводят к чередованию циклов сжатия и разрежения (циклы высокого и низкого давления). Во время циклов низкого давления в жидкости возникают небольшие пузырьки вакуума. Эти кавитация Пузырьки растут в течение нескольких циклов низкого давления, пока не достигнут размера, при котором они не смогут поглощать больше энергии. В этом состоянии максимальной поглощенной энергии и размера пузырька кавитационный пузырь сильно схлопывается и создает локально экстремальные условия. Из-за краха кавитация пузырьков, локально достигаются очень высокие температуры около 5000 К и давление около 2000 атм. Имплозия приводит к образованию струй жидкости со скоростью до 280 м/с (≈1000 км/ч). Сонофрагментация описывает использование этих интенсивных сил для фрагментации частиц до меньших размеров в субмикронном и нанодиапазоне. При прогрессирующем ультразвуковом воздействии форма частиц меняется от угловой к сферической, что делает частицы более ценными. Результаты сонофрагментации выражаются в виде скорости фрагментации, которая описывается как функция потребляемой мощности, объема ультразвука и размера агломератов.
Kusters et al. (1994) исследовали фрагментацию агломератов с помощью ультразвука в зависимости от их энергопотребления. Результаты исследователей «указывают на то, что метод ультразвукового диспергирования может быть столь же эффективным, как и обычные методы шлифования. Промышленная практика ультразвукового диспергирования (например, более крупные зонды, непрерывная пропускная способность суспензии) может несколько изменить эти результаты, но в целом ожидается, что причиной выбора этого коммитронного метода является не удельное потребление энергии, а скорее его способность производить чрезвычайно мелкие (субмикронные) частицы». [Kusters et al. 1994] Особенно для электроэрозионных порошков, таких как Кремнезем или диоксида циркония, удельная энергия, необходимая на единицу массы порошка, при ультразвуковом измельчении оказалась ниже, чем при традиционных методах измельчения. Ультразвук воздействует на частицы не только путем измельчения и шлифования, но и путем полировки твердых частиц. Таким образом, может быть достигнута высокая сферичность частиц.

Сонофрагментация для кристаллизации наноматериалов

«Хотя нет никаких сомнений в том, что столкновения между частицами действительно происходят в суспензиях молекулярных кристаллов, облученных ультразвуком, они не являются доминирующим источником фрагментации. В отличие от молекулярных кристаллов, металлические частицы не повреждаются ударными волнами напрямую и могут подвергаться воздействию только более интенсивных (но гораздо более редких) столкновений между частицами. Сдвиг в доминирующих механизмах ультразвуковой обработки металлических порошков по сравнению с аспириновыми суспензиями подчеркивает различия в свойствах ковких металлических частиц и хрупких молекулярных кристаллов». [Зейгер / Суслик 2011, 14532]

Сонофрагментация частиц аспирина [Zeiger/ Suslick 2011]

Gopi et al. (2008) исследовали получение субмикронных частиц глиноземистой керамики высокой чистоты (преимущественно в диапазоне менее 100 нм) из микрометрового сырья (например, 70-80 мкм) с использованием сонофрагментации. Они наблюдали значительное изменение цвета и формы керамических частиц оксида алюминия в результате сонофрагментации. Частицы в микронном, субмикронном и наноразмерном диапазоне могут быть легко получены с помощью ультразвука высокой мощности. Сферичность частиц увеличивалась с увеличением времени удержания в акустическом поле.

Диспергирование в поверхностно-активных веществах

Из-за эффективного разрушения частиц ультразвуком использование поверхностно-активных веществ имеет важное значение для предотвращения деагломерации полученных субмикронных и наноразмерных частиц. Чем меньше размер частиц, тем выше апикантный коэффициент площади поверхности, которую необходимо покрыть поверхностно-активным веществом, чтобы удерживать их во взвешенном состоянии и избегать коагуляции частиц (агломерации). Преимущество ультразвуковой обработки заключается в диспергирующем эффекте: одновременно с измельчением и фрагментацией ультразвук диспергировал измельченные фрагменты частиц с поверхностно-активным веществом, так что агломерация наночастиц (почти) полностью исключается.

промышленное производство

Чтобы обслуживать рынок высококачественным наноматериалом, который демонстрирует исключительные функциональные возможности, требуется надежное технологическое оборудование. Ультразвуковые аппараты мощностью до 16 кВт на единицу, которые являются кластеризованными, позволяют обрабатывать практически неограниченные объемные потоки. Благодаря полностью линейной масштабируемости ультразвуковых процессов, ультразвуковые приложения могут быть протестированы в лаборатории без риска, оптимизированы в настольных масштабах, а затем без проблем внедрены в производственную линию. Поскольку ультразвуковое оборудование не требует большого пространства, его можно даже дооснастить существующими технологическими потоками. Эксплуатация проста и может контролироваться и управляться с помощью дистанционного управления, в то время как обслуживанием ультразвуковой системы практически нельзя пренебрегать.

Гранулометрический состав и СЭМ-изображения сплава на основе Bi2Te3 до и после ультразвукового фрезерования. a – Гранулометрическое распределение; b – СЭМ-изображение перед ультразвуковым фрезерованием; c – СЭМ-изображение после ультразвукового фрезерования в течение 4 ч; d – СЭМ-изображение после ультразвукового фрезерования в течение 8 ч.
источник: Marquez-Garcia et al. 2015.

Литература / Литература