Sonofragmentácia – vplyv výkonového ultrazvuku na lámanie častíc
Sonofragmentácia popisuje rozbitie častíc na nanofragmenty pomocou vysokovýkonného ultrazvuku. Na rozdiel od bežnej ultrazvukovej deaglomerácie a frézovania – kde sú častice hlavne brúsené a separované zrážkou medzi časticami – , sa sonofragementácia vyznačuje priamou interakciou medzi časticami a rázovou vlnou. Vysokovýkonný/nízkofrekvenčný ultrazvuk vytvára kavitáciu a tým intenzívne šmykové sily v kvapalinách. Extrémne podmienky kavitačného kolapsu bublín a interkonkrétnej kolízie brúsia častice na veľmi jemný materiál.
Ultrazvuková výroba a príprava nanočastíc
Účinky výkonového ultrazvuku na výrobu nano materiálov sú dobre známe: dispergovanie, deaglomerácia a frézovanie & Brúsenie, ako aj fragmentácia sonikáciou sú často jedinou účinnou metódou liečby Nano častice. To platí najmä pri veľmi jemných nanomateriáloch so špeciálnymi funkciami, pretože pri nanoveľkosti sa vyjadrujú jedinečné vlastnosti častíc. Na vytvorenie nanomateriálu so špecifickými funkciami je potrebné zabezpečiť rovnomerný a spoľahlivý proces sonikácie. Spoločnosť Hielscher dodáva ultrazvukové zariadenia od laboratórneho rozsahu až po plnú komerčnú výrobu.
Sono-fragmentácia kavitáciou
Vstup silných ultrazvukových síl do kvapalín vytvára extrémne podmienky. Keď ultrazvuk šíri kvapalné médium, ultrazvukové vlny majú za následok striedavé kompresné a zriedené cykly (vysokotlakové a nízkotlakové cykly). Počas nízkotlakových cyklov vznikajú v kvapaline malé vákuové bubliny. Títo Kavitácie Bubliny rastú počas niekoľkých nízkotlakových cyklov, kým nedosiahnu veľkosť, keď nedokážu absorbovať viac energie. V tomto stave maximálnej absorbovanej energie a veľkosti bublín sa kavitačná bublina prudko zrúti a vytvorí lokálne extrémne podmienky. V dôsledku implózie Kavitácie bubliny, veľmi vysoké teploty cca. 5000K a tlaky cca. 2000atm sú dosiahnuté lokálne. Implózia má za následok kvapalné prúdy s rýchlosťou až 280 m/s (≈1000 km/h). Sono-fragmentácia popisuje použitie týchto intenzívnych síl na fragmentáciu častíc na menšie rozmery v submikrónovom a nano rozsahu. S postupujúcou sonikáciou sa tvar častíc mení z hranatého na guľovitý, vďaka čomu sú častice cennejšie. Výsledky sonofragmentácie sú vyjadrené ako rýchlosť fragmentácie, ktorá je opísaná ako funkcia príkonu, sonikovaného objemu a veľkosti aglomerátov.
Kusters et al. (1994) skúmali ultrazvukom asistovanú fragmentáciu aglomerátov vo vzťahu k ich spotrebe energie. Výsledky vedcov "naznačujú, že technika ultrazvukovej disperzie môže byť rovnako účinná ako konvenčné techniky mletia. Priemyselná prax ultrazvukovej disperzie (napr. väčšie sondy, nepretržitá priepustnosť suspenzie) môže tieto výsledky trochu zmeniť, ale celkovo sa očakáva, že špecifická spotreba energie nie je dôvodom výberu tejto techniky rozdrvovače, ale skôr jej schopnosť produkovať extrémne jemné (submikrónové) častice. [Kusters et al. 1994] Najmä na erodujúce prášky, ako sú Oxid kremičitý alebo zirkónu, zistilo sa, že špecifická energia potrebná na jednotku hmotnosti prášku je pri ultrazvukovom mletí nižšia ako pri konvenčných metódach mletia. Ultrazvuk ovplyvňuje častice nielen frézovaním a brúsením, ale aj leštením pevných látok. Tým je možné dosiahnuť vysokú guľovitosť častíc.
Sono-fragmentácia na kryštalizáciu nanomateriálov
"Aj keď niet pochýb o tom, že zrážky medzi časticami sa vyskytujú v suspenziách molekulárnych kryštálov ožiarených ultrazvukom, nie sú dominantným zdrojom fragmentácie. Na rozdiel od molekulárnych kryštálov nie sú kovové častice poškodené rázovými vlnami priamo a môžu byť ovplyvnené iba intenzívnejšími (ale oveľa zriedkavejšími) zrážkami medzi časticami. Posun v dominantných mechanizmoch sonikácie kovových práškov v porovnaní s aspirínovou suspenziou zdôrazňuje rozdiely vo vlastnostiach kujných kovových častíc a drobivých molekulárnych kryštálov." [Zeiger/ Suslick 2011, 14532]
Gopi et al. (2008) skúmali výrobu vysoko čistých submikrometrových keramických častíc oxidu hlinitého (prevažne v rozsahu pod 100 nm) z mikrometrového krmiva (napr. 70-80 μm) pomocou sonofragmentácie. Pozorovali významnú zmenu farby a tvaru keramických častíc oxidu hlinitého v dôsledku sonofragmentácie. Častice v rozsahu mikrónov, submikrónov a nanoveľkosti možno ľahko získať sonikáciou s vysokým výkonom. Guľovitosť častíc sa zvyšovala so zvyšujúcim sa retenčným časom v akustickom poli.
Disperzia v povrchovo aktívnej látke
Vzhľadom na účinné rozbitie ultrazvukových častíc je použitie povrchovo aktívnych látok nevyhnutné, aby sa zabránilo deaglomerácii získaných submikrónových a nanočastíc. Čím menšia je veľkosť častíc, tým vyšší je apektový pomer povrchovej plochy, ktorá musí byť pokrytá povrchovo aktívnou látkou, aby sa udržali v suspenzii a aby sa zabránilo zrážaniu častíc (aglomerácia). Výhoda ultrazvuku spočíva v dispergačnom efekte: Súčasne s mletím a fragmentáciou ultrazvuk rozptýlil rozomleté úlomky častíc povrchovo aktívnou látkou, takže sa (takmer) úplne zabráni aglomerácii nanočastíc.

Ultrazvukové homogenizátory sú účinné a spoľahlivé na disperziu nanočastíc vo vode alebo rozpúšťadlách. Obrázok zobrazuje laboratórny ultrazvuk UP100H.
priemyselná výroba
Na obsluhu trhu s vysoko kvalitným nano materiálom, ktorý vyjadruje mimoriadne funkcie, je potrebné spoľahlivé spracovateľské zariadenie. Ultrazvukové prístroje s výkonom až 16 kW na jednotku, ktoré sú klastrizovateľné, umožňujú ďalšie spracovanie prakticky neobmedzených objemových tokov. Vďaka plne lineárnej škálovateľnosti ultrazvukových procesov je možné ultrazvukové aplikácie bez rizika testovať v laboratóriu, optimalizovať v stolovom meradle a potom bez problémov implementovať do výrobnej linky. Keďže ultrazvukové zariadenie nevyžaduje veľký priestor, je možné ho dokonca dodatočne namontovať do existujúcich procesných tokov. Obsluha je jednoduchá a dá sa monitorovať a spúšťať pomocou diaľkového ovládača, zatiaľ čo údržba ultrazvukového systému je takmer zanedbateľná.

Distribúcia veľkosti častíc a obrázky SEM zliatiny na báze Bi2Te3 pred a po ultrazvukovom frézovaní. a – Distribúcia veľkosti častíc; b – SEM obraz pred ultrazvukovým frézovaním; c – SEM obraz po ultrazvukovom frézovaní po dobu 4 hodín; d – SEM obraz po ultrazvukovom frézovaní po dobu 8 hodín.
zdroj: Marquez-Garcia et al. 2015.
Kontaktujte nás! / Opýtajte sa nás!
Literatúra / Referencie
- 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.

Vysoko výkonný ultrazvuk UIP2000hdT (2kW, 20kHz) pre efektívne miešanie, homogenizáciu, nanodisperziu a sonofragmentáciu častíc.

Spoločnosť Hielscher Ultrasonics vyrába vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory od laboratórium do priemyselná veľkosť.