Сонофрагментація – Вплив потужного ультразвуку на руйнування частинок

Сонофрагментація описує руйнування частинок на нанорозмірні фрагменти за допомогою потужного ультразвуку. На відміну від звичайної ультразвукової дезагломерації та млинового подрібнення – де частинки переважно подрібнюються та розділяються внаслідок зіткнень між частинками – сонофрагментація вирізняється прямою взаємодією між частинкою та ударною хвилею. Потужний низькочастотний ультразвук створює кавітацію та, відповідно, інтенсивні зсувні сили в рідинах. Екстремальні умови колапсу кавітаційних бульбашок і зіткнень між частинками подрібнюють частинки до матеріалу дуже дрібного розміру.

Ультразвукове виробництво та приготування наночастинок

Ефекти потужного ультразвуку для виробництва наноматеріалів добре відомі: диспергування, дезагломерація та млинове подрібнення й шліфування, а також фрагментація за допомогою ультразвукової обробки часто є єдиним ефективним методом обробки наночастинок. Це особливо вірно, коли йдеться про дуже дрібні наноматеріали зі спеціальними функціональними властивостями, оскільки на нанорівні проявляються унікальні характеристики частинок. Для створення наноматеріалів зі специфічними функціональними властивостями необхідно забезпечити рівномірний і надійний процес ультразвукової обробки. Hielscher постачає ультразвукове обладнання від лабораторного масштабу до повномасштабного промислового виробництва.

Сонофрагментація за допомогою кавітації

Введення потужних ультразвукових сил у рідини створює екстремальні умови. Коли ультразвук поширюється в рідкому середовищі, ультразвукові хвилі призводять до чергування циклів стиснення та розрідження (циклів високого та низького тиску). Під час циклів низького тиску в рідині утворюються малі вакуумні бульбашки. Ці кавітаційні бульбашки зростають протягом кількох циклів низького тиску, доки не досягнуть розміру, за якого вони не можуть поглинати більше енергії. За цього стану максимальної поглиненої енергії та розміру бульбашки кавітаційна бульбашка різко колапсує, створюючи локально екстремальні умови. Внаслідок імплозії кавітаційних бульбашок локально досягаються дуже високі температури приблизно 5000K і тиски приблизно 2000atm. Імплозія призводить до утворення рідинних струменів зі швидкістю до 280m/s (≈1000km/h). Сонофрагментація описує використання цих інтенсивних сил для фрагментації частинок до менших розмірів у субмікронному та нанодіапазоні. За тривалої ультразвукової обробки форма частинок змінюється з кутової на сферичну, що робить частинки більш цінними. Результати сонофрагментації виражаються як швидкість фрагментації, яка описується як функція введеної потужності, об’єму, що піддається ультразвуковій обробці, та розміру агломератів.
Kusters et al. (1994) досліджували ультразвуково-асистовану фрагментацію агломератів у зв’язку з енергоспоживанням. Результати дослідників „indicate that the ultrasonic dispersion technique can be as efficient as conventional grinding techniques. The industrial practice of ultrasonic dispersion (e.g. larger probes, continuous throughput of suspension) may alter these results somewhat, but over-all it is expected that the specific energy consumption is not the reason for the selection of this comminutron technique but rather its ability to produce extremely fine (submicron) particles.“ [Kusters et al. 1994] Особливо для абразивних порошків, таких як кремнезем або діоксид цирконію, було встановлено, що специфічна енергія, необхідна на одиницю маси порошку, при ультразвуковому подрібненні нижча, ніж при звичайних методах подрібнення. Ультразвукова обробка впливає на частинки не лише шляхом млинового подрібнення та шліфування, а й шляхом полірування твердих тіл. При цьому можна досягти високої сферичності частинок.

Сонофрагментація для кристалізації наноматеріалів

«Хоча майже немає сумнівів у тому, що в суспензіях молекулярних кристалів, опромінених ультразвуком, відбуваються зіткнення між частинками, вони не є основною причиною фрагментації. На відміну від молекулярних кристалів, металеві частинки не зазнають безпосереднього руйнування під дією ударних хвиль і можуть зазнавати впливу лише інтенсивніших (але значно рідших) зіткнень між частинками. Зміна переважних механізмів під час ультразвукової обробки металевих порошків порівняно із суспензіями аспірину підкреслює відмінності у властивостях пластичних металевих частинок і крихких молекулярних кристалів». [Zeiger/ Suslick 2011, 14532]

Сонофрагментація частинок аспірину [Zeiger/ Suslick 2011]

Gopi et al. (2008) досліджували виготовлення високочистих субмікрометрових керамічних частинок оксиду алюмінію (переважно в діапазоні менше 100 nm) з мікрометрового вихідного матеріалу (наприклад, 70-80 μm) за допомогою сонофрагментації. Вони спостерігали значну зміну кольору та форми керамічних частинок оксиду алюмінію внаслідок сонофрагментації. Частинки в мікрометровому, субмікрометровому та нанорозмірному діапазонах можна легко отримати за допомогою потужної ультразвукової обробки. Сферичність частинок зростала зі збільшенням часу утримання в акустичному полі.

Диспергування в ПАР

Через ефективне ультразвукове руйнування частинок використання поверхнево-активних речовин є необхідним для запобігання дезагломерації отриманих субмікронних і нанорозмірних частинок. Чим менший розмір частинок, тим вищий apect ratio of surface area, який має бути покритий ПАР, щоб утримувати їх у суспензії та запобігти коагуляції (агломерації) частинок. Перевага ультразвукової обробки полягає в диспергуючому ефекті: одночасно з подрібненням і фрагментацією ультразвук диспергує подрібнені фрагменти частинок із ПАР, так що агломерація наночастинок (майже) повністю запобігається.

Промислове виробництво

Для забезпечення ринку високоякісним наноматеріалом, що має надзвичайні функціональні властивості, необхідне надійне оброблювальне обладнання. Ультразвукові гомогенізатори з потужністю до 16kW на одиницю, які можна об’єднувати в кластери, дозволяють обробляти практично необмежені потоки об’єму. Завдяки повністю лінійній масштабованості ультразвукових процесів ультразвукові застосування можна безризиково тестувати в лабораторії, оптимізувати на рівні настільних установок, а потім без проблем впроваджувати у виробничу лінію. Оскільки ультразвукове обладнання не потребує великої площі, його можна навіть дооснащувати в існуючі технологічні потоки. Експлуатація проста, її можна моніторити та керувати нею дистанційно, тоді як обслуговування ультразвукової системи майже не потребує уваги.

Розподіл розмірів частинок і зображення СЕМ сплаву на основі Bi2Te3 до та після ультразвукового млинового подрібнення. a – Розподіл розмірів частинок; b – Зображення СЕМ до ультразвукового млинового подрібнення; c – Зображення СЕМ після ультразвукового млинового подрібнення протягом 4 h; d – Зображення СЕМ після ультразвукового млинового подрібнення протягом 8 h.
джерело: Marquez-Garcia et al. 2015.

Література / Посилання

• 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.