Сонофрагментація – вплив енергетичного ультразвуку на руйнування частинок
Сонофрагментація описує розпад частинок на нанорозмірні фрагменти ультразвуком високої потужності. На відміну від поширених ультразвукових деагломерацій і фрезерувань – де частинки в основному подрібнюються і розділяються шляхом зіткнення між частинками – , соно-фрагментація відрізняється безпосередньою взаємодією частинки і ударної хвилі. Ультразвук високої потужності / низької частоти створює кавітацію і тим самим інтенсивні сили зсуву в рідинах. Екстремальні умови кавітаційного руйнування бульбашок і міжспецифічного зіткнення подрібнюють частинки до дуже дрібного розміру матеріалу.
Ультразвукове виробництво та підготовка наночастинок
Ефекти силового ультразвуку для виробництва наноматеріалів добре відомі: диспергування, деагломерація та фрезерування & Шліфування, а також дроблення за допомогою ультразвукової хвороби часто є єдиним ефективним методом лікування наночастинки. Це особливо вірно, коли мова йде про дуже тонкі наноматеріали з особливими функціями, як і при нанорозмірі, виражаються унікальні характеристики частинок. Щоб створити наноматеріал із певними функціональними можливостями, необхідно забезпечити рівномірний і надійний процес ультразвуку. Hielscher постачає ультразвукове обладнання від лабораторних масштабів до повного комерційного обсягу виробництва.
Сонофрагментація шляхом кавітації
Введення потужних ультразвукових сил в рідини створює екстремальні умови. Коли ультразвук поширює рідке середовище, ультразвукові хвилі призводять до чергування циклів стиснення та розрідження (цикли високого тиску та низького тиску). Під час циклів низького тиску в рідині виникають дрібні бульбашки вакууму. Ці Кавітації Бульбашки ростуть протягом декількох циклів низького тиску, поки не досягнуть розміру, коли вони не можуть поглинути більше енергії. При цьому стані максимальної поглиненої енергії і розмірів бульбашок кавітаційний міхур сильно руйнується і створює локально екстремальні умови. У зв'язку з вибухом Кавітації бульбашки, дуже високі температури приблизно 5000 К і тиск приблизно 2000 атм досягаються локально. Вибух призводить до утворення струменів рідини зі швидкістю до 280 м/с (≈1000 км/год). Сонофрагментація описує використання цих інтенсивних сил для фрагментації частинок до менших розмірів у субмікронному та нанодіапазоні. При прогресуючому ультразвуку форма частинок перетворюється з кутової на сферичну, що робить частинки більш цінними. Результати сонофрагментації виражаються у вигляді швидкості фрагментації, яка описується як функція вхідної потужності, об'єму ультразвукового випромінювання та розміру агломератів.
Kusters et al. (1994) досліджували дроблення агломератів за допомогою ультразвуку по відношенню до їх енергоспоживання. Результати дослідників «вказують на те, що техніка ультразвукового дисперсування може бути такою ж ефективною, як і звичайні методи шліфування. Промислова практика ультразвукової дисперсії (наприклад, більші зонди, безперервна пропускна здатність суспензії) може дещо змінити ці результати, але в цілому очікується, що причиною вибору цього методу коммінутрон є не питома витрата енергії, а скоріше його здатність виробляти надзвичайно дрібні (субмікронні) частинки. [Kusters et al. 1994] Особливо для роз'їдають порошків, таких як Кремнезему Або цирконій, питома енергія, необхідна на одиницю маси порошку, виявилася нижчою при ультразвуковому шліфуванні, ніж при звичайних методах шліфування. Ультразвук впливає на частинки не тільки шляхом фрезерування та шліфування, але й шляхом полірування твердих частинок. Тим самим можна досягти високої сферичності частинок.
Сонофрагментація для кристалізації наноматеріалів
«Хоча немає жодних сумнівів у тому, що зіткнення між частинками дійсно відбуваються в суспензіях молекулярних кристалів, опромінених ультразвуком, вони не є домінуючим джерелом фрагментації. На відміну від молекулярних кристалів, частинки металу не пошкоджуються ударними хвилями безпосередньо і можуть зазнавати впливу тільки при більш інтенсивних (але набагато рідкісних) зіткненнях між частинками. Зміна домінуючих механізмів ультразвукового випромінювання металевих порошків у порівнянні з аспіриновими суспензіями підкреслює відмінності у властивостях ковких металевих частинок і розсипчастих молекулярних кристалів». [Zeiger/ Suslick 2011, 14532]
Gopi et al. (2008) досліджували виготовлення субмікрометричних частинок глиноземної кераміки високої чистоти (переважно в діапазоні нижче 100 нм) з подачі мікрометрового розміру (наприклад, 70-80 мкм) за допомогою сонофрагментації. Вони спостерігали значну зміну кольору і форми частинок глиноземистої кераміки в результаті сонофрагментації. Частинки в мікронному, субмікронному та нанорозмірному діапазоні можуть бути легко отримані за допомогою ультразвуку високої потужності. Сферичність частинок зростала зі збільшенням часу утримання в акустичному полі.
Дисперсія в поверхнево-активній речовині
У зв'язку з ефективним ультразвуковим розщепленням частинок використання поверхнево-активних речовин має важливе значення для запобігання деагломерації отриманих субмікронних і нанорозмірних частинок. Чим менший розмір частинок, тим вище коефіцієнт площі поверхні, яка повинна бути покрита поверхнево-активною речовиною, щоб утримувати їх у підвішеному стані та уникнути коагуляції (агломерації) частинок. Перевага ультразвуку полягає в диспергуючому ефекті: одночасно з подрібненням і фрагментацією ультразвуки розсіюють подрібнені фрагменти частинок з поверхнево-активною речовиною, так що (майже) повністю уникається агломерація наночастинок.

Ультразвукові гомогенізатори ефективні та надійні для диспергування наночастинок у воді або розчинниках. На малюнку зображено лабораторний ультразвуковий апарат UP100H.
Промислове виробництво
Щоб обслуговувати ринок високоякісним наноматеріалом, який виражає надзвичайні функціональні можливості, потрібне надійне обробне обладнання. Ультразвукові пристрої потужністю до 16 кВт на одиницю, які є кластеризованими, дозволяють обробляти практично необмежені обсяги потоків. Завдяки повністю лінійній масштабованості ультразвукових процесів, ультразвукові програми можуть бути протестовані без ризику в лабораторії, оптимізовані в настільних масштабах, а потім без проблем впроваджені у виробничу лінію. Оскільки ультразвукове обладнання не вимагає великого простору, його можна навіть модернізувати в існуючі технологічні потоки. Операція проста, її можна контролювати та керувати за допомогою пульта дистанційного керування, тоді як обслуговуванням ультразвукової системи майже нехтують.

Розподіл частинок за розміром і SEM зображення сплаву на основі Bi2Te3 до і після ультразвукового фрезерування. a – Гранулометричний склад; b – SEM-зображення перед ультразвуковим фрезеруванням; c – SEM зображення після ультразвукового фрезерування протягом 4 год; d – SEM зображення після ультразвукового фрезерування протягом 8 год.
джерело: Marquez-Garcia et al. 2015.
Зв'яжіться з нами! / Запитайте нас!
Література / Список літератури
- 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.

Високопродуктивний ультразвуковий апарат UIP2000HDT (2 кВт, 20 кГц) для ефективного змішування, гомогенізації, нанодиспергування та сонофрагментації частинок.

Hielscher Ultrasonics виробляє високоефективні ультразвукові гомогенізатори з Лабораторії до промислові розміри.