Сонофрагментација – ефекат ултразвука снаге на ломљење честица

Сонофрагментација описује ломљење честица на фрагменте нано величине ултразвуком велике снаге. За разлику од уобичајене ултразвучне деагломерације и млевења – где се честице углавном мељу и раздвајају сударом између честица – , соно-фрагементација се одликује директном интеракцијом између честице и ударног таласа. Ултразвук велике снаге/ниске фреквенције ствара кавитацију и тиме интензивне силе смицања у течностима. Екстремни услови колапса кавитационог мехурића и интерпартикуларног судара мељу честице до материјала веома фине величине.

Ултразвучна производња и припрема нано честица

Ефекти снажног ултразвука за производњу нано материјала су добро познати: дисперговање, деагломерација и млевење & Брушење као и фрагментација соникацијом често су једини ефикасан метод лечења нано честице. Ово је посебно тачно када су у питању веома фини нано материјали са посебним функцијама јер се код нано величине исказују јединствене карактеристике честица. Да би се направио нано материјал са специфичним функцијама, мора се обезбедити равномеран и поуздан процес соникације. Хиелсцхер испоручује ултразвучну опрему од лабораторијских размера до пуне комерцијалне производње.

Соно-фрагментација кавитацијом

Унос снажних ултразвучних сила у течности ствара екстремне услове. Када ултразвук пропагира течни медијум, ултразвучни таласи резултирају наизменичним циклусима компресије и разређивања (циклуси високог притиска и ниског притиска). Током циклуса ниског притиска, у течности настају мали вакуумски мехурићи. Ове кавитација мехурићи расту током неколико циклуса ниског притиска док не достигну величину када не могу да апсорбују више енергије. У овом стању максималне апсорбоване енергије и величине мехурића, кавитациони мехур се нагло урушава и ствара локално екстремне услове. Због имплозије кавитација мехурића, веома високе температуре од цца. 5000К и притисцима од прибл. 2000 атм се достижу локално. Имплозија резултира млазовима течности до 280м/с (≈1000км/х) брзине. Соно-фрагментација описује употребу ових интензивних сила за фрагментацију честица на мање димензије у субмикронском и нано опсегу. Са напредном соникацијом, облик честица се претвара из угаоног у сферни, што чини честице вреднијим. Резултати сонофрагментације су изражени као брзина фрагментације која је описана као функција улазне снаге, обрађене запремине и величине агломерата.
Кустерс ет ал. (1994) су истраживали ултразвучно потпомогнуту фрагментацију агломерата у односу на њихову потрошњу енергије. Резултати истраживача „указују да техника ултразвучне дисперзије може бити једнако ефикасна као и конвенционалне технике млевења. Индустријска пракса ултразвучне дисперзије (нпр. веће сонде, континуирани проток суспензије) може донекле променити ове резултате, али свеукупно се очекује да специфична потрошња енергије није разлог за избор ове коминутронске технике, већ њена способност да производе изузетно фине (субмикронске) честице.“ [Кустерс ет ал. 1994] Посебно за еродирајуће прахове као нпр Силица или цирконијум, утврђено је да је специфична енергија потребна по јединици масе праха ултразвучним млевењем нижа од оне код конвенционалних метода млевења. Ултразвук утиче на честице не само млевењем и млевењем, већ и полирањем чврстих материја. Тиме се може постићи висока сферичност честица.

Соно-фрагментација за кристализацију наноматеријала

„Иако нема сумње да се судари међу честицама дешавају у кашама молекуларних кристала озрачених ултразвуком, они нису доминантни извор фрагментације. За разлику од молекуларних кристала, металне честице се не оштећују директно ударним таласима и на њих могу утицати само интензивнији (али много ређи) судари између честица. Промена доминантних механизама за соникацију металних прахова у односу на кашу аспирина наглашава разлике у својствима савитљивих металних честица и трошних молекуларних кристала.“ [Зеигер/ Суслицк 2011, 14532]

Сонофрагментација честица аспирина [Зеигер/ Суслицк 2011]

Гопи и др. (2008) истраживали су производњу субмикрометарских честица глинице високе чистоће (претежно у опсегу испод 100 нм) из извора микрометарске величине (нпр. 70-80 μм) користећи сонофрагментацију. Приметили су значајну промену боје и облика керамичких честица алуминијума као резултат соно-фрагментације. Честице у микронским, субмикронским и нано величинама могу се лако добити ултразвучном обрадом велике снаге. Сферичност честица се повећавала са повећањем времена задржавања у акустичном пољу.

Дисперзија у сурфактанту

Због ефикасног ултразвучног ломљења честица, употреба сурфактаната је од суштинског значаја за спречавање деагломерације добијених субмикронских и нано честица. Што је мања величина честица, то је већи апект однос површине, која мора бити прекривена сурфактантом да би се оне држале у суспензији и да би се избегло згрушавање (агломерација) честица. Предност ултразвучне обраде је у ефекту дисперговања: Истовремено са млевењем и фрагментацијом, ултразвук је дисперговао самлевене фрагменте честица са сурфактантом тако да је агломерација нано честица (скоро) потпуно избегнута.

индустријска производња

За опслуживање тржишта са висококвалитетним нано материјалом који изражава изванредне функционалности, потребна је поуздана опрема за обраду. Ултрасоникатори са до 16кВ по јединици који се могу кластеризовати омогућавају обраду практично неограничених токова запремине. Због потпуно линеарне скалабилности ултразвучних процеса, ултразвучне апликације се могу без ризика тестирати у лабораторији, оптимизовати у стоној скали и затим без проблема имплементирати у производну линију. Како ултразвучна опрема не захтева велики простор, може се чак и накнадно уградити у постојеће процесне токове. Операција је лака и може се пратити и покренути преко даљинског управљача, док је одржавање ултразвучног система готово занемарљиво.

Расподела величине честица и СЕМ слике легуре на бази Би2Те3 пре и после ултразвучног млевења. а – Расподела величине честица; б – СЕМ слика пре ултразвучног млевења; ц – СЕМ слика након ултразвучног млевења током 4 х; д – СЕМ слика након ултразвучног млевења током 8 х.
извор: Маркуез-Гарциа ет ал. 2015.

Литература / Референце