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) investigated the ultrasonically assisted fragmentation of agglomerates in relation to its energy consumption. The researchers’ results „indicate that the ultrasonic dispersion technique can be as efficient as conventional grinding techniques. The industrial practice of ultrasonic dispersion (e.g. larger probes, continuous throughput of suspension) may alter these results somewhat, but over-all it is expected that the specific energy consumption is not the reason for the selection of this comminutron technique but rather its ability to produce extremely fine (submicron) particles.” [Kusters et al. 1994] Especially for eroding powders such as 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

„While there is little doubt that interparticle collisions do occur in slurries of molecular crystals irradiated with ultrasound, they are not the dominant source of fragmentation. In contrast to molecular crystals, metal particles are not damaged by shock waves directly and can be affected only by the more intense (but much rarer) interparticle collisions. The shift in dominant mechanisms for sonication of metal powders versus aspirin slurries highlights the differences in properties of malleable metallic particles and friable molecular crystals.” [Zeiger/ Suslick 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

Due to the effective ultrasonic particle breakage, the use of surfactants is essential to prevent deagglomeration of the sub-micron and nano-sized particles obtained. The smaller the particle size, the higher the apect ratio of surface area, which must be covered with surfactant to keep them in suspension and to avoid particles’ coagualation (agglomeration). The advantage of ultrasonication lays in the dispersing effect: Simultaneously to the grinding and fragmentation, ultrasounds dispersed the grinded particle fragments with the surfactant so that agglomeration oft he nano particles is (almost) completely avoided.

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