Dispersion et désagglomération par ultrasons

La dispersion et la désagglomération de solides dans des liquides constituent une application importante des ultrasons de puissance et des sonicateurs à sonde. La cavitation ultrasonore génère un cisaillement extrêmement élevé qui sépare les agglomérats de particules en particules individuelles dispersées. Grâce à ses forces de cisaillement élevées et localement concentrées, la sonication est idéale pour produire des dispersions de taille micrométrique et nanométrique pour l’expérimentation, la recherche et le développement, ainsi que, bien sûr, pour la production industrielle.

Le mélange de poudres dans des liquides est une étape courante dans la formulation de divers produits, tels que les peintures, les encres, les cosmétiques, les boissons, les hydrogels ou les produits de polissage. Les particules individuelles sont maintenues ensemble par des forces d’attraction de diverses natures physiques et chimiques, notamment les forces de van der Waals et la tension superficielle du liquide. Cet effet est plus prononcé dans les liquides de viscosité élevée, tels que les polymères ou les résines. Il faut vaincre ces forces d’attraction pour désagglomérer et disperser les particules dans des milieux liquides. Découvrez ci-dessous pourquoi les homogénéisateurs à ultrasons constituent des équipements de dispersion supérieurs pour disperser des particules submicrométriques et nanométriques au laboratoire et dans l’industrie.

Dispersion de solides dans des liquides par ultrasons

Le principe de fonctionnement des homogénéisateurs à ultrasons repose sur le phénomène de cavitation acoustique. La cavitation acoustique est connue pour créer des forces physiques intenses, notamment des forces de cisaillement très élevées. L’application de contraintes mécaniques sépare les agglomérats de particules. Le liquide est également poussé entre les particules.
Diverses technologies sont disponibles sur le marché pour disperser des poudres dans des liquides, notamment les homogénéisateurs à haute pression, les broyeurs à billes agités, les broyeurs à jets opposés et les mélangeurs rotor-stator. Les disperseurs à ultrasons présentent toutefois des avantages considérables. Découvrez ci-dessous comment fonctionne la dispersion par ultrasons et quels sont ses avantages.

 

Cette vidéo montre la dispersion de colorant rouge par ultrasons à l’aide de l’UP400St équipé d’une sonde S24d 22mm.

 

Principe de fonctionnement de la cavitation et de la dispersion par ultrasons

Pendant la sonication, les ondes sonores à haute fréquence créent une alternance de zones de compression et de raréfaction dans le milieu liquide. Lorsque les ondes sonores traversent le milieu, elles créent des bulles qui se dilatent rapidement, puis s’effondrent violemment. Ce processus est appelé cavitation acoustique. L’effondrement des bulles génère des ondes de choc à haute pression, des microjets et des forces de cisaillement capables de fragmenter les particules et les agglomérats de grande taille en particules plus petites. Dans les procédés de dispersion par ultrasons, les particules présentes dans la dispersion servent elles-mêmes de corps broyants. Accélérées par les forces de cisaillement de la cavitation ultrasonore, les particules entrent en collision les unes avec les autres et se brisent en minuscules fragments. Comme aucune bille ni perle n’est ajoutée à la dispersion traitée par ultrasons, la séparation et le nettoyage des corps broyants, qui demandent beaucoup de temps et de main-d’œuvre, ainsi que la contamination sont entièrement évités.
Cela rend la sonication particulièrement efficace pour disperser et désagglomérer les particules, même celles qui sont difficiles à fragmenter par d’autres méthodes. Il en résulte une répartition plus uniforme des particules, qui améliore la qualité et les performances du produit.
De plus, la sonication permet de traiter, de disperser et de synthétiser facilement des nanomatériaux tels que les nanosphères, les nanocristaux, les nanofeuillets, les nanofibres, les nanofils, les particules à structure cœur-coquille et d’autres structures complexes.
Enfin, la sonication peut être réalisée dans un délai relativement court, ce qui constitue un avantage majeur par rapport aux autres techniques de dispersion.

Avantages des disperseurs à ultrasons par rapport aux autres technologies de mélange

Les disperseurs à ultrasons offrent plusieurs avantages par rapport aux autres technologies de mélange, telles que les homogénéisateurs à haute pression, le broyage à billes ou le mélange rotor-stator. Parmi les principaux avantages figurent :

• Réduction plus efficace de la taille des particules : Les disperseurs à ultrasons peuvent réduire efficacement la taille des particules jusqu’à l’échelle nanométrique, ce que de nombreuses autres technologies de mélange ne permettent pas. Ils sont donc idéaux pour les applications où une granulométrie fine est essentielle.
• Mélange plus rapide : Les disperseurs à ultrasons peuvent mélanger et disperser les matériaux plus rapidement que de nombreuses autres technologies, ce qui permet de gagner du temps et d’accroître la productivité.
• Absence de contamination : Les disperseurs à ultrasons ne nécessitent pas l’utilisation de corps broyants tels que des billes ou des perles, qui contaminent la dispersion par abrasion.
• Meilleure qualité du produit : Les disperseurs à ultrasons peuvent produire des mélanges et des suspensions plus uniformes, ce qui améliore la qualité et la constance du produit. En particulier en mode continu, la suspension à disperser traverse la zone de cavitation ultrasonore de manière très contrôlée, garantissant un traitement très uniforme.
• Consommation d’énergie réduite : Les disperseurs à ultrasons nécessitent généralement moins d’énergie que les autres technologies, ce qui réduit les coûts d’exploitation.
• Polyvalence : Les disperseurs à ultrasons peuvent être utilisés pour une large gamme d’applications, notamment l’homogénéisation, l’émulsification, la dispersion et la désagglomération. Ils peuvent également traiter divers matériaux, notamment des matériaux abrasifs, des fibres, des liquides corrosifs et même des gaz.

Grâce à ces avantages de procédé, ainsi qu’à leur fiabilité et à leur simplicité d’utilisation, les disperseurs à ultrasons surpassent les autres technologies de mélange, ce qui en fait un choix prisé pour de nombreuses applications industrielles.

Dispersion et désagglomération par ultrasons à toutes les échelles

Hielscher propose des appareils à ultrasons pour la dispersion et la désagglomération de tout volume, en traitement par lots ou en ligne. Les appareils à ultrasons de laboratoire sont utilisés pour des volumes de 1,5mL à environ 2L. Les appareils à ultrasons industriels sont utilisés pour le développement des procédés et la production, pour des lots de 0,5 à environ 2000L ou des débits de 0,1L à 20m³ par heure.

Les processeurs à ultrasons industriels de Hielscher Ultrasonics peuvent fournir des amplitudes très élevées, assurant ainsi une dispersion et un broyage fiables des particules jusqu’à l’échelle nanométrique. Des amplitudes allant jusqu’à 200µm peuvent facilement être maintenues en fonctionnement continu 24/7. Pour des amplitudes encore plus élevées, des sonotrodes à ultrasons sur mesure sont disponibles.

Le tableau ci-dessous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos sonicateurs :

Dispersion de nanotubes de carbone par ultrasons – Le sonicateur Hielscher UP400S (400W) disperse et démêle rapidement et efficacement les CNTs en nanotubes individuels.

Avantages de la dispersion par ultrasons : passage facile à l’échelle industrielle

Contrairement aux autres technologies de dispersion, la sonication peut facilement passer de l’échelle du laboratoire à celle de la production. Les essais en laboratoire permettent de sélectionner avec précision la taille d’équipement requise. À l’échelle finale, les résultats du procédé sont identiques à ceux obtenus en laboratoire.

Sonicateurs : robustes et faciles à nettoyer

La puissance ultrasonore est transmise au liquide par une sonotrode. Il s’agit généralement d’une pièce présentant une symétrie de révolution, usinée dans du titane massif de qualité aéronautique. C’est également la seule pièce mobile ou vibrante en contact avec le liquide. Elle est la seule pièce soumise à l’usure et peut être facilement remplacée en quelques minutes. Des brides de découplage des oscillations permettent de monter la sonotrode dans des récipients ouverts ou fermés pouvant être pressurisés, ou dans des cellules à circulation, quelle que soit l’orientation. Aucun palier n’est nécessaire. Toutes les autres pièces en contact avec le liquide sont généralement en acier inoxydable. Les réacteurs à cellule à circulation présentent des géométries simples et peuvent être facilement démontés et nettoyés, par exemple par lavage à grande eau et essuyage. Ils ne comportent ni petits orifices ni recoins cachés.

Nettoyage en place par ultrasons

Les ultrasons sont bien connus pour leurs applications de nettoyage, notamment le nettoyage des surfaces et des pièces. L’intensité ultrasonore utilisée pour les applications de dispersion est beaucoup plus élevée que celle employée pour le nettoyage ultrasonore habituel. Pour nettoyer les pièces de l’appareil à ultrasons en contact avec le liquide, la puissance ultrasonore peut faciliter le nettoyage pendant le lavage à grande eau et le rinçage, car la cavitation ultrasonore ou acoustique élimine les particules et les résidus liquides de la sonotrode et des parois de la cellule à circulation.

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Bibliographie / Références

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• Poinern G.E., Brundavanam R., Thi-Le X., Djordjevic S., Prokic M., Fawcett D. (2011): Thermal and ultrasonic influence in the formation of nanometer scale hydroxyapatite bio-ceramic. Int J Nanomedicine. 2011; 6: 2083–2095.
• László Vanyorek, Dávid Kiss, Ádám Prekob, Béla Fiser, Attila Potyka, Géza Németh, László Kuzsela, Dirk Drees, Attila Trohák, Béla Viskolcz (2019): Application of nitrogen doped bamboo-like carbon nanotube for development of electrically conductive lubricants. Journal of Materials Research and Technology, Volume 8, Issue 3, 2019. 3244-3250.
• Adam K. Budniak, Niall A. Killilea, Szymon J. Zelewski, Mykhailo Sytnyk, Yaron Kauffmann, Yaron Amouyal, Robert Kudrawiec, Wolfgang Heiss, Efrat Lifshitz (2020): Exfoliated CrPS4 with Promising Photoconductivity. Small Vol.16, Issue1. January 9, 2020.