Phân mảnh bằng siêu âm – Tác động của siêu âm công suất cao đối với sự phá vỡ hạt

Phân mảnh bằng siêu âm mô tả sự phá vỡ các hạt thành những mảnh có kích thước nano bằng siêu âm công suất cao. Khác với quá trình phá kết tụ và nghiền bằng siêu âm thông thường – trong đó các hạt chủ yếu được nghiền và tách rời nhờ va chạm giữa các hạt – phân mảnh bằng siêu âm có đặc trưng là sự tương tác trực tiếp giữa hạt và sóng xung kích. Siêu âm công suất cao/ tần số thấp tạo ra hiện tượng xâm thực và qua đó tạo ra lực cắt mạnh trong chất lỏng. Các điều kiện cực đoan do sự sụp đổ của bọt xâm thực và va chạm giữa các hạt nghiền các hạt thành vật liệu có kích thước rất mịn.

Sản xuất và điều chế hạt nano bằng siêu âm

Các tác động của siêu âm công suất cao trong sản xuất vật liệu nano đã được biết đến rộng rãi: Phân tán, phá kết tụ và nghiền cũng như phân mảnh bằng xử lý siêu âm thường là phương pháp hiệu quả duy nhất để xử lý các hạt nano. Điều này đặc biệt đúng đối với các vật liệu nano rất mịn có những tính năng đặc biệt, vì ở kích thước nano, các đặc tính độc đáo của hạt được thể hiện. Để tạo ra vật liệu nano có các tính năng cụ thể, cần bảo đảm quá trình xử lý siêu âm đồng đều và đáng tin cậy. Hielscher cung cấp thiết bị siêu âm từ quy mô phòng thí nghiệm đến quy mô sản xuất thương mại hoàn chỉnh.

Phân mảnh bằng siêu âm nhờ hiện tượng xâm thực

Việc đưa các lực siêu âm mạnh vào chất lỏng tạo ra những điều kiện cực đoan. Khi siêu âm truyền qua môi trường lỏng, sóng siêu âm tạo ra các chu kỳ nén và giãn luân phiên (chu kỳ áp suất cao và áp suất thấp). Trong các chu kỳ áp suất thấp, những bọt chân không nhỏ xuất hiện trong chất lỏng. Các bọt xâm thực này phát triển qua nhiều chu kỳ áp suất thấp cho đến khi đạt kích thước mà chúng không thể hấp thụ thêm năng lượng. Ở trạng thái năng lượng hấp thụ và kích thước bọt đạt mức tối đa này, bọt xâm thực sụp đổ dữ dội và tạo ra những điều kiện cực đoan cục bộ. Do sự sụp đổ vào trong của các bọt xâm thực , nhiệt độ rất cao, khoảng 5000K, và áp suất khoảng 2000atm được tạo ra cục bộ. Sự sụp đổ vào trong tạo ra các tia chất lỏng có vận tốc lên đến 280m/s (≈1000km/h). Phân mảnh bằng siêu âm mô tả việc sử dụng các lực mạnh này để phân mảnh các hạt thành những kích thước nhỏ hơn trong phạm vi dưới micromet và nano. Khi quá trình xử lý siêu âm tiếp diễn, hình dạng hạt chuyển từ góc cạnh sang hình cầu, làm tăng giá trị của các hạt. Kết quả phân mảnh bằng siêu âm được biểu thị bằng tốc độ phân mảnh, được mô tả là một hàm của công suất đầu vào, thể tích được xử lý siêu âm và kích thước của các khối kết tụ.
Kusters và cộng sự (1994) đã nghiên cứu quá trình phân mảnh các khối kết tụ có hỗ trợ siêu âm trong mối liên hệ với mức tiêu thụ năng lượng của quá trình này. Kết quả của các nhà nghiên cứu „cho thấy kỹ thuật phân tán bằng siêu âm có thể hiệu quả ngang với các kỹ thuật nghiền thông thường. Việc áp dụng phân tán bằng siêu âm trong công nghiệp (ví dụ: đầu dò lớn hơn, huyền phù được xử lý liên tục) có thể làm thay đổi phần nào các kết quả này, nhưng nhìn chung, dự kiến mức tiêu thụ năng lượng riêng không phải là lý do để lựa chọn kỹ thuật giảm kích thước này, mà là khả năng tạo ra các hạt cực mịn (dưới micromet).“ [Kusters et al. 1994] Đặc biệt đối với các loại bột bị bào mòn như silica hoặc zirconia, năng lượng riêng cần thiết trên mỗi đơn vị khối lượng bột khi nghiền bằng siêu âm được ghi nhận là thấp hơn so với các phương pháp nghiền thông thường. Xử lý siêu âm tác động đến các hạt không chỉ bằng cách nghiền mà còn bằng cách đánh bóng chất rắn. Nhờ đó, có thể đạt được độ cầu cao của các hạt.

Phân mảnh bằng siêu âm để kết tinh vật liệu nano

„Mặc dù hầu như không có nghi ngờ rằng va chạm giữa các hạt thực sự xảy ra trong các huyền phù tinh thể phân tử được chiếu siêu âm, chúng không phải là nguồn gây phân mảnh chủ yếu. Khác với tinh thể phân tử, các hạt kim loại không bị sóng xung kích làm hư hại trực tiếp và chỉ có thể chịu tác động của những va chạm giữa các hạt mạnh hơn (nhưng hiếm gặp hơn nhiều). Sự thay đổi cơ chế chi phối khi xử lý siêu âm bột kim loại so với huyền phù aspirin làm nổi bật sự khác biệt về tính chất giữa các hạt kim loại có tính dẻo và các tinh thể phân tử dễ vỡ vụn.“ [Zeiger/ Suslick 2011, 14532]

Phân mảnh các hạt aspirin bằng siêu âm [Zeiger/ Suslick 2011]

Gopi và cộng sự (2008) đã nghiên cứu việc chế tạo các hạt gốm alumina có độ tinh khiết cao, kích thước dưới micromet (chủ yếu trong phạm vi dưới 100 nm), từ nguyên liệu đầu vào có kích thước micromet (ví dụ: 70–80 μm) bằng phương pháp phân mảnh bằng siêu âm. Họ quan sát thấy sự thay đổi đáng kể về màu sắc và hình dạng của các hạt gốm alumina do quá trình phân mảnh bằng siêu âm. Có thể dễ dàng thu được các hạt trong phạm vi kích thước micromet, dưới micromet và nano bằng xử lý siêu âm công suất cao. Độ cầu của các hạt tăng khi thời gian lưu trong trường âm tăng.

Phân tán trong chất hoạt động bề mặt

Do khả năng phá vỡ hạt hiệu quả của siêu âm, việc sử dụng chất hoạt động bề mặt là thiết yếu để ngăn sự phá kết tụ của các hạt có kích thước dưới micromet và nano thu được. Kích thước hạt càng nhỏ thì tỷ lệ hình dạng của diện tích bề mặt càng cao; diện tích này phải được phủ chất hoạt động bề mặt để giữ các hạt ở trạng thái huyền phù và tránh sự đông tụ (kết tụ) của các hạt. Ưu điểm của xử lý siêu âm nằm ở tác dụng phân tán: Đồng thời với quá trình nghiền và phân mảnh, siêu âm phân tán các mảnh hạt đã nghiền cùng với chất hoạt động bề mặt, nhờ đó (gần như) tránh được hoàn toàn sự kết tụ của các hạt nano.

Sản xuất công nghiệp

Để cung cấp cho thị trường vật liệu nano chất lượng cao thể hiện những tính năng vượt trội, cần có thiết bị xử lý đáng tin cậy. Các thiết bị siêu âm có công suất lên đến 16kW mỗi thiết bị và có thể ghép thành cụm cho phép xử lý các dòng thể tích gần như không giới hạn. Nhờ khả năng mở rộng quy mô hoàn toàn tuyến tính của các quy trình siêu âm, các ứng dụng siêu âm có thể được thử nghiệm không có rủi ro trong phòng thí nghiệm, tối ưu hóa ở quy mô thiết bị để bàn rồi triển khai vào dây chuyền sản xuất mà không gặp vấn đề. Vì thiết bị siêu âm không đòi hỏi nhiều không gian, thậm chí có thể lắp bổ sung vào các dòng quy trình hiện có. Việc vận hành rất dễ dàng và có thể được giám sát, điều khiển từ xa, trong khi nhu cầu bảo trì hệ thống siêu âm gần như không đáng kể.

Phân bố kích thước hạt và ảnh SEM của hợp kim nền Bi2Te3 trước và sau khi nghiền bằng siêu âm. a – Phân bố kích thước hạt; b – Ảnh SEM trước khi nghiền bằng siêu âm; c – Ảnh SEM sau khi nghiền bằng siêu âm trong 4 h; d – Ảnh SEM sau khi nghiền bằng siêu âm trong 8 h.
nguồn: Marquez-Garcia et al. 2015.

Tài liệu / Tài liệu tham khảo

• 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.