Сонофрагментација – утицај ултразвука велике снаге на разбијање честица

Сонофрагментација описује разбијање честица на фрагменте нанометарских димензија помоћу ултразвука велике снаге. За разлику од уобичајене ултразвучне деагломерације и млевења – при којима се честице углавном уситњавају и раздвајају међусобним сударима – сонофрагментација се одликује директном интеракцијом честице и ударног таласа. Ултразвук велике снаге и ниске фреквенције ствара кавитацију, а тиме и интензивне силе смицања у течностима. Екстремни услови колапса кавитационих мехурића и међусобних судара честица уситњавају честице у веома фин материјал.

Ултразвучна производња и припрема наночестица

Ефекти ултразвука велике снаге у производњи наноматеријала добро су познати: дисперговање, деагломерација и млевење и уситњавање, као и фрагментација ултразвучном обрадом, често су једина ефикасна метода за обраду наночестица. То посебно важи за веома фине наноматеријале са посебним функционалним својствима, јер се на нанометарској скали испољавају јединствене карактеристике честица. За стварање наноматеријала са специфичним функционалним својствима мора се обезбедити равномеран и поуздан процес ултразвучне обраде. Hielscher испоручује ултразвучну опрему од лабораторијске размере до пуне комерцијалне производње.

Сонофрагментација кавитацијом

Уношење снажних ултразвучних сила у течности ствара екстремне услове. Када се ултразвук простире кроз течни медијум, ултразвучни таласи доводе до наизменичних циклуса сабијања и разређивања (циклуса високог и ниског притиска). Током циклуса ниског притиска у течности настају мали вакуумски мехурићи. Ови кавитациони мехурићи расту током неколико циклуса ниског притиска док не достигну величину при којој више не могу да апсорбују енергију. У том стању максималне апсорбоване енергије и величине мехурића, кавитациони мехурић нагло колабира и локално ствара екстремне услове. Услед имплозије кавитационих мехурића, локално се достижу веома високе температуре од приближно 5000K и притисци од приближно 2000atm. Имплозија ствара млазеве течности брзине до 280m/s (≈1000km/h). Сонофрагментација описује употребу ових интензивних сила за фрагментацију честица на мање димензије у субмикронском и нанометарском опсегу. Како ултразвучна обрада напредује, облик честица прелази из угластог у сферни, што честице чини вреднијим. Резултати сонофрагментације изражавају се брзином фрагментације, која се описује као функција унете снаге, ултразвучно обрађене запремине и величине агломерата.
Kusters et al. (1994) истраживали су ултразвучно потпомогнуту фрагментацију агломерата у односу на њену потрошњу енергије. Резултати истраживача „указују на то да техника ултразвучног дисперговања може бити подједнако ефикасна као конвенционалне технике млевења. Индустријска пракса ултразвучног дисперговања (нпр. веће сонде, континуални проток суспензије) може донекле променити ове резултате, али се у целини очекује да разлог за избор ове технике уситњавања није специфична потрошња енергије, већ њена способност да произведе изузетно фине (субмикронске) честице.“ [Kusters et al. 1994] Нарочито код прахова подложних ерозији, као што су силицијум-диоксид или цирконијум-диоксид, утврђено је да је специфична енергија потребна по јединици масе праха при ултразвучном млевењу мања него код конвенционалних метода млевења. Ултразвучна обрада делује на честице не само млевењем и уситњавањем већ и полирањем чврстих материја. Тиме се може постићи висока сферичност честица.

Сонофрагментација за кристализацију наноматеријала

„Иако нема много сумње да се у суспензијама молекулских кристала изложеним ултразвуку заиста дешавају међучестични судари, они нису доминантан узрок фрагментације. За разлику од молекулских кристала, металне честице се не оштећују директно ударним таласима и на њих могу деловати само интензивнији (али много ређи) међучестични судари. Промена доминантних механизама при ултразвучној обради металних прахова у поређењу са суспензијама аспирина истиче разлике у својствима ковних металних честица и трошних молекулских кристала.“ [Zeiger/ Suslick 2011, 14532]

Сонофрагментација честица аспирина [Zeiger/ Suslick 2011]

Gopi et al. (2008) истраживали су производњу субмикрометарских керамичких честица алуминијум-оксида високе чистоће (претежно у опсегу испод 100 nm) од полазног материјала микрометарских димензија (нпр. 70–80 μm) помоћу сонофрагментације. Уочили су значајну промену боје и облика керамичких честица алуминијум-оксида као резултат сонофрагментације. Честице у микронском, субмикронском и нанометарском опсегу величина могу се лако добити ултразвучном обрадом велике снаге. Сферичност честица повећавала се са повећањем времена задржавања у акустичком пољу.

Дисперговање у површински активној материји

Због ефикасног ултразвучног разбијања честица, употреба површински активних материја неопходна је да би се спречила деагломерација добијених субмикронских честица и честица нанометарских димензија. Што је величина честица мања, то је већи однос димензија њихове површине, која мора бити прекривена површински активном материјом како би се честице задржале у суспензији и избегла њихова коагулација (агломерација). Предност ултразвучне обраде лежи у ефекту дисперговања: истовремено са млевењем и фрагментацијом, ултразвук диспергује уситњене фрагменте честица са површински активном материјом, тако да се агломерација наночестица (скоро) потпуно избегава.

Индустријска производња

За снабдевање тржишта висококвалитетним наноматеријалом који испољава изузетна функционална својства потребна је поуздана опрема за обраду. Ултразвучни уређаји снаге до 16kW по јединици, који се могу повезивати у групе, омогућавају обраду практично неограничених запреминских протока. Захваљујући потпуно линеарном повећању размера ултразвучних процеса, ултразвучне примене могу се без ризика испитати у лабораторији, оптимизовати на стоној опреми, а затим без проблема увести у производну линију. Пошто ултразвучна опрема не захтева много простора, може се чак и накнадно уградити у постојеће процесне токове. Руковање је једноставно, а надзор и управљање могу се обављати даљински, док је одржавање ултразвучног система готово занемарљиво.

Расподела величине честица и SEM снимци легуре на бази Bi2Te3 пре и после ултразвучног млевења. a – расподела величине честица; b – SEM снимак пре ултразвучног млевења; c – SEM снимак после ултразвучног млевења у трајању од 4 h; d – SEM снимак после ултразвучног млевења у трајању од 8 h.
извор: Marquez-Garcia et al. 2015.

Литература / Референце

• 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.