Sonofragmentering – Effektultraljudets inverkan på partikelnedbrytning

Sonofragmentering beskriver sönderdelning av partiklar till fragment i nanostorlek med hjälp av högeffektsultraljud. Till skillnad från vanlig deagglomerering och malning med ultraljud – där partiklar huvudsakligen mals och separeras genom kollisioner mellan partiklar – kännetecknas sonofragmentering av den direkta växelverkan mellan partikel och stötvåg. Ultraljud med hög effekt och låg frekvens skapar kavitation och därmed intensiva skjuvkrafter i vätskor. De extrema förhållandena vid kavitationsbubblors kollaps och kollisioner mellan partiklar mal partiklarna till mycket finkornigt material.

Framställning och beredning av nanopartiklar med ultraljud

Effektultraljudets effekter vid framställning av nanomaterial är välkända: dispergering, deagglomerering och malning samt fragmentering genom ultraljudsbehandling är ofta den enda effektiva metoden för att behandla nanopartiklar. Detta gäller särskilt mycket fina nanomaterial med särskilda funktionella egenskaper, eftersom unika partikelegenskaper kommer till uttryck vid nanostorlek. För att skapa nanomaterial med specifika funktionella egenskaper måste en jämn och tillförlitlig ultraljudsbehandling säkerställas. Hielscher tillhandahåller ultraljudsutrustning från laboratorieskala till fullskalig kommersiell produktion.

Sonofragmentering genom kavitation

Tillförsel av kraftiga ultraljudskrafter till vätskor skapar extrema förhållanden. När ultraljud fortplantas genom ett flytande medium ger ultraljudsvågorna upphov till omväxlande kompressions- och förtunningscykler (högtrycks- och lågtryckscykler). Under lågtryckscyklerna uppstår små vakuumbubblor i vätskan. Dessa kavitationsbubblor växer under flera lågtryckscykler tills de når en storlek där de inte kan absorbera mer energi. Vid detta tillstånd med maximal absorberad energi och bubbelstorlek kollapsar kavitationsbubblan våldsamt och skapar lokalt extrema förhållanden. Till följd av implosionen av dessa kavitationsbubblor uppnås lokalt mycket höga temperaturer på cirka 5000K och tryck på cirka 2000atm. Implosionen ger upphov till vätskestrålar med hastigheter på upp till 280m/s (≈1000km/h). Sonofragmentering beskriver användningen av dessa intensiva krafter för att fragmentera partiklar till mindre dimensioner i submikrometer- och nanoområdet. Allteftersom ultraljudsbehandlingen fortskrider förändras partikelformen från kantig till sfärisk, vilket gör partiklarna mer värdefulla. Resultaten av sonofragmentering uttrycks som fragmenteringshastighet, vilken beskrivs som en funktion av tillförd effekt, ultraljudsbehandlad volym och agglomeratens storlek.
Kusters et al. (1994) undersökte ultraljudsassisterad fragmentering av agglomerat i förhållande till dess energiförbrukning. Forskarnas resultat ”tyder på att dispergeringstekniken med ultraljud kan vara lika effektiv som konventionella malningstekniker. Den industriella tillämpningen av ultraljudsdispergering (t.ex. större sonder, kontinuerlig genomströmning av suspension) kan förändra dessa resultat något, men överlag förväntas den specifika energiförbrukningen inte vara anledningen till valet av denna finfördelningsteknik, utan snarare dess förmåga att framställa extremt fina partiklar (i submikrometerområdet).” [Kusters et al. 1994] Särskilt för pulver som eroderas, såsom kiseldioxid eller zirkoniumdioxid, visade sig den specifika energi som krävs per massenhet pulver vara lägre vid ultraljudsmalning än vid konventionella malningsmetoder. Ultraljudsbehandling påverkar partiklarna inte bara genom malning, utan även genom polering av det fasta materialet. Därigenom kan en hög sfäricitet hos partiklarna uppnås.

Sonofragmentering för kristallisation av nanomaterial

”Även om det knappast råder något tvivel om att kollisioner mellan partiklar förekommer i suspensioner av molekylkristaller som bestrålas med ultraljud, är dessa inte den dominerande orsaken till fragmentering. Till skillnad från molekylkristaller skadas metallpartiklar inte direkt av stötvågor och kan endast påverkas av de intensivare (men mycket mer sällsynta) kollisionerna mellan partiklar. Förskjutningen av de dominerande mekanismerna vid ultraljudsbehandling av metallpulver jämfört med aspirinsuspensioner belyser skillnaderna i egenskaper mellan formbara metallpartiklar och lätt sönderfallande molekylkristaller.” [Zeiger/ Suslick 2011, 14532]

Sonofragmentering av aspirinpartiklar [Zeiger/ Suslick 2011]

Gopi et al. (2008) undersökte framställningen av högrena keramiska aluminiumoxidpartiklar i submikrometerstorlek (huvudsakligen under 100 nm) från utgångsmaterial i mikrometerstorlek (t.ex. 70–80 μm) med hjälp av sonofragmentering. De observerade en betydande förändring av de keramiska aluminiumoxidpartiklarnas färg och form till följd av sonofragmentering. Partiklar i mikrometer-, submikrometer- och nanostorlek kan enkelt erhållas genom ultraljudsbehandling med hög effekt. Partiklarnas sfäricitet ökade med ökande uppehållstid i det akustiska fältet.

Dispergering i tensid

På grund av den effektiva partikelnedbrytningen med ultraljud är användning av tensider nödvändig för att förhindra deagglomerering av de erhållna partiklarna i submikrometer- och nanostorlek. Ju mindre partikelstorleken är, desto högre är ytans aspektförhållande. Ytan måste täckas med tensid för att hålla partiklarna i suspension och undvika att de koagulerar (agglomererar). Fördelen med ultraljudsbehandling ligger i den dispergerande effekten: samtidigt med malningen och fragmenteringen dispergerar ultraljudet de malda partikelfragmenten med tensiden så att agglomerering av nanopartiklarna (nästan) helt undviks.

Industriell produktion

För att förse marknaden med högkvalitativa nanomaterial med extraordinära funktionella egenskaper krävs tillförlitlig processutrustning. Ultraljudsapparater med upp till 16kW per enhet, som kan kombineras i kluster, möjliggör behandling av praktiskt taget obegränsade volymflöden. Tack vare ultraljudsprocessernas helt linjära skalbarhet kan ultraljudstillämpningar testas riskfritt i laboratoriet, optimeras i bänkskala och sedan implementeras utan problem i produktionslinjen. Eftersom ultraljudsutrustningen inte kräver stort utrymme kan den även eftermonteras i befintliga processflöden. Driften är enkel och kan övervakas och styras via fjärrkontroll, samtidigt som underhållsbehovet för ett ultraljudssystem är nästan försumbart.

Partikelstorleksfördelning och SEM-bilder av en Bi2Te3-baserad legering före och efter ultraljudsmalning. a – Partikelstorleksfördelning; b – SEM-bild före ultraljudsmalning; c – SEM-bild efter ultraljudsmalning i 4 h; d – SEM-bild efter ultraljudsmalning i 8 h.
källa: Marquez-Garcia et al. 2015.

Litteratur / Referenser

• 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.