Sonofragmentácia – účinok výkonového ultrazvuku na rozbíjanie častíc

Sonofragmentácia opisuje rozbíjanie častíc na fragmenty nanometrových rozmerov pomocou vysokovýkonného ultrazvuku. Na rozdiel od bežnej ultrazvukovej deaglomerácie a mletia – pri ktorých sa častice prevažne rozomieľajú a oddeľujú vzájomnými zrážkami – sa sonofragmentácia vyznačuje priamou interakciou medzi časticou a rázovou vlnou. Vysokovýkonný nízkofrekvenčný ultrazvuk vytvára kavitáciu, a tým aj intenzívne šmykové sily v kvapalinách. Extrémne podmienky pri kolapse kavitačných bublín a zrážkach medzi časticami rozomieľajú častice na veľmi jemný materiál.

Ultrazvuková výroba a príprava nanočastíc

Účinky výkonového ultrazvuku pri výrobe nanomateriálov sú dobre známe: dispergovanie, deaglomerácia, mletie a drvenie, ako aj fragmentácia sonikáciou sú často jedinou účinnou metódou spracovania nanočastíc. Platí to najmä pre veľmi jemné nanomateriály s osobitnými funkčnými vlastnosťami, pretože pri nanometrových rozmeroch sa prejavujú jedinečné vlastnosti častíc. Na vytvorenie nanomateriálu so špecifickými funkčnými vlastnosťami je potrebné zabezpečiť rovnomerný a spoľahlivý proces sonikácie. Hielscher dodáva ultrazvukové zariadenia od laboratórnej mierky až po plnú komerčnú výrobu.

Sonofragmentácia pomocou kavitácie

Vnášanie silných ultrazvukových síl do kvapalín vytvára extrémne podmienky. Keď sa ultrazvuk šíri kvapalným prostredím, ultrazvukové vlny spôsobujú striedanie cyklov stláčania a zrieďovania (cyklov vysokého a nízkeho tlaku). Počas cyklov nízkeho tlaku vznikajú v kvapaline malé vákuové bubliny. Tieto kavitačné bubliny rastú počas viacerých cyklov nízkeho tlaku, až kým nedosiahnu veľkosť, pri ktorej už nedokážu absorbovať ďalšiu energiu. V tomto stave maximálnej absorbovanej energie a maximálnej veľkosti bubliny kavitačná bublina prudko skolabuje a vytvorí lokálne extrémne podmienky. V dôsledku implózie kavitačných bublín sa lokálne dosahujú veľmi vysoké teploty približne 5000K a tlaky približne 2000atm. Implózia vytvára kvapalinové prúdy s rýchlosťou až 280m/s (≈1000km/h). Sonofragmentácia opisuje využitie týchto intenzívnych síl na fragmentáciu častíc na menšie rozmery v submikrometrovej a nanometrovej oblasti. S postupujúcou sonikáciou sa tvar častíc mení z hranatého na guľovitý, čím sa zvyšuje ich hodnota. Výsledky sonofragmentácie sa vyjadrujú rýchlosťou fragmentácie, ktorá sa opisuje ako funkcia privádzaného výkonu, sonikovaného objemu a veľkosti aglomerátov.
Kusters et al. (1994) skúmali ultrazvukom podporovanú fragmentáciu aglomerátov vo vzťahu k jej spotrebe energie. Výsledky výskumníkov „naznačujú, že technika ultrazvukového dispergovania môže byť rovnako účinná ako konvenčné techniky mletia. Priemyselná prax ultrazvukového dispergovania (napr. väčšie sondy, kontinuálny prietok suspenzie) môže tieto výsledky do určitej miery zmeniť, celkovo sa však predpokladá, že dôvodom výberu tejto techniky zmenšovania častíc nie je merná spotreba energie, ale skôr jej schopnosť vytvárať extrémne jemné (submikrometrové) častice.“ [Kusters et al. 1994] Najmä pri práškoch podliehajúcich erózii, ako sú oxid kremičitý alebo oxid zirkoničitý, sa zistilo, že merná energia potrebná na jednotku hmotnosti prášku je pri ultrazvukovom mletí nižšia ako pri konvenčných metódach mletia. Ultrazvuk pôsobí na častice nielen mletím a drvením, ale aj leštením pevných látok. Tým možno dosiahnuť vysokú sféricitu častíc.

Sonofragmentácia pri kryštalizácii nanomateriálov

„Hoci niet veľkých pochybností o tom, že v suspenziách molekulových kryštálov vystavených ultrazvuku dochádza k zrážkam medzi časticami, tieto zrážky nie sú dominantným zdrojom fragmentácie. Na rozdiel od molekulových kryštálov sa kovové častice nepoškodzujú priamo rázovými vlnami a môžu na ne pôsobiť iba intenzívnejšie (ale oveľa zriedkavejšie) zrážky medzi časticami. Zmena dominantných mechanizmov pri sonikácii kovových práškov v porovnaní so suspenziami aspirínu poukazuje na rozdiely vo vlastnostiach kujných kovových častíc a drobivých molekulových kryštálov.“ [Zeiger/ Suslick 2011, 14532]

Sonofragmentácia častíc aspirínu [Zeiger/ Suslick 2011]

Gopi et al. (2008) skúmali výrobu vysokočistých submikrometrových keramických častíc oxidu hlinitého (prevažne v rozsahu pod 100 nm) zo vstupného materiálu s mikrometrovými rozmermi (napr. 70–80 μm) pomocou sonofragmentácie. V dôsledku sonofragmentácie pozorovali výraznú zmenu farby a tvaru keramických častíc oxidu hlinitého. Vysokovýkonnou sonikáciou možno ľahko získať častice v mikrometrovej, submikrometrovej a nanometrovej veľkostnej oblasti. Sféricita častíc sa zvyšovala s rastúcim časom zotrvania v akustickom poli.

Dispergovanie v povrchovo aktívnej látke

Vzhľadom na účinné ultrazvukové rozbíjanie častíc je použitie povrchovo aktívnych látok nevyhnutné na zabránenie deaglomerácii získaných submikrometrových a nanometrových častíc. Čím menšia je veľkosť častíc, tým vyšší je pomer strán povrchu, ktorý musí byť pokrytý povrchovo aktívnou látkou, aby častice zostali v suspenzii a zabránilo sa ich koagulácii (aglomerácii). Výhoda pôsobenia ultrazvuku spočíva v dispergačnom účinku: súčasne s mletím a fragmentáciou ultrazvuk disperguje rozomleté fragmenty častíc pomocou povrchovo aktívnej látky, takže sa aglomerácii nanočastíc (takmer) úplne zabráni.

Priemyselná výroba

Na zásobovanie trhu vysokokvalitnými nanomateriálmi s mimoriadnymi funkčnými vlastnosťami sú potrebné spoľahlivé spracovateľské zariadenia. Ultrazvukové prístroje s výkonom až 16kW na jednotku, ktoré možno spájať do zostáv, umožňujú spracovanie prakticky neobmedzených objemových prietokov. Vďaka úplne lineárnej škálovateľnosti ultrazvukových procesov možno ultrazvukové aplikácie bez rizika testovať v laboratóriu, optimalizovať na stolových zariadeniach a následne bez problémov zaviesť do výrobnej linky. Keďže ultrazvukové zariadenia nevyžadujú veľa priestoru, možno ich dodatočne začleniť aj do existujúcich procesných tokov. Obsluha je jednoduchá a prevádzku možno monitorovať a riadiť na diaľku, pričom údržba ultrazvukového systému je takmer zanedbateľná.

Distribúcia veľkosti častíc a snímky SEM zliatiny na báze Bi2Te3 pred ultrazvukovým mletím a po ňom. a – Distribúcia veľkosti častíc; b – snímka SEM pred ultrazvukovým mletím; c – snímka SEM po 4 h ultrazvukového mletia; d – snímka SEM po 8 h ultrazvukového mletia.
zdroj: Marquez-Garcia et al. 2015.

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.