Dispersion et Désagglomération Ultrasonique

La dispersion et la désagglomération de solides dans des liquides est une application importante des ultrasons de puissance et des sonicateurs à sonde. La cavitation ultrasonique génère un cisaillement extraordinairement élevé qui brise les agglomérats de particules en particules dispersées uniques. Grâce à ses forces de cisaillement localement concentrées, la sonication est idéale pour produire des dispersions microniques et nanométriques pour l'expérimentation, la recherche et le développement, et bien sûr pour la production industrielle.

Le mélange de poudres et de liquides est une étape courante dans la formulation de divers produits, tels que la peinture, l'encre, les cosmétiques, les boissons, les hydrogels ou les produits de polissage. Les particules individuelles sont maintenues ensemble par des forces d'attraction de nature physique et chimique, notamment les forces de van der Waals et la tension superficielle des liquides. Cet effet est plus important pour les liquides à forte viscosité, tels que les polymères ou les résines. Les forces d'attraction doivent être surmontées afin de désagglomérer et de disperser les particules dans le milieu liquide. Lisez ci-dessous pourquoi les homogénéisateurs ultrasoniques sont le meilleur équipement de dispersion pour la dispersion de particules submicroniques et nanométriques en laboratoire et dans l'industrie.

Disperser des 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, y compris des forces de cisaillement très fortes. L'application d'une contrainte mécanique brise les agglomérats de particules. De plus, le liquide est pressé entre les particules.
Pour la dispersion des poudres dans les liquides, diverses technologies telles que les homogénéisateurs à haute pression, les broyeurs à perles, les broyeurs à jet d'eau et les mélangeurs rotor-stator sont disponibles dans le commerce. Toutefois, les disperseurs à ultrasons présentent des avantages significatifs. Découvrez ci-dessous comment fonctionne la dispersion ultrasonique et quels sont ses avantages.

 

 

Principe de fonctionnement de la cavitation et de la dispersion ultrasoniques

Lors de la sonication, les ondes sonores à haute fréquence créent des zones alternées 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 qui peuvent briser les grosses particules et les agglomérats en particules plus petites. Dans les processus de dispersion ultrasonique, les particules elles-mêmes dans la dispersion font office de milieu de broyage. Accélérées par les forces de cisaillement de la cavitation ultrasonique, les particules entrent en collision les unes avec les autres et se brisent en minuscules fragments. Étant donné qu'aucune perle n'est ajoutée à la dispersion traitée par ultrasons, la séparation et le nettoyage des milieux de broyage, qui demandent beaucoup de temps et de travail, ainsi que la contamination sont totalement évités.
C'est ce qui rend la sonication si efficace pour disperser et désagglomérer les particules, même celles qui sont difficiles à décomposer avec d'autres méthodes. Il en résulte une distribution plus uniforme des particules, ce qui permet d'améliorer la qualité et les performances des produits.
En outre, la sonication permet de manipuler, de disperser et de synthétiser facilement des nanomatériaux tels que des nanosphères, des nanocristaux, des nappes, des nanofibres, des nanofils, des particules core-shell et d'autres structures complexes.
En outre, la sonication peut être réalisée dans un laps de temps 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 de billes ou le mélange rotor-stator. Parmi les avantages les plus importants, on peut citer

• Amélioration de la réduction de la taille des particules : Les disperseurs à ultrasons peuvent réduire efficacement la taille des particules jusqu'au nanomètre, ce qui n'est pas possible avec de nombreuses autres technologies de mélange. Ils sont donc idéaux pour les applications où la taille des particules fines est essentielle.
• Mixage plus rapide : Les disperseurs à ultrasons peuvent mélanger et disperser des matériaux plus rapidement que beaucoup d'autres technologies, ce qui permet de gagner du temps et d'augmenter la productivité.
• Pas de contamination : Les disperseurs à ultrasons ne nécessitent pas l'utilisation d'agents de broyage tels que les billes ou les perles, qui contaminent la dispersion par abrasion.
• Meilleure qualité des produits : Les disperseurs à ultrasons peuvent produire des mélanges et des suspensions plus uniformes, ce qui améliore la qualité et l'homogénéité des produits. En particulier en mode flux continu, la suspension passe par la zone de cavitation ultrasonique de manière très contrôlée, ce qui garantit un traitement très uniforme.
• Consommation d'énergie réduite : Les disperseurs à ultrasons consomment 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 une grande variété de matériaux, notamment des matériaux abrasifs, des fibres, des liquides corrosifs et même des gaz.

En raison de ces avantages, de leur fiabilité et de leur simplicité d'utilisation, les disperseurs à ultrasons surpassent les autres technologies de mélange, ce qui en fait un choix populaire 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 pour le traitement par lots ou en ligne. Les appareils à ultrasons de laboratoire sont utilisés pour des volumes allant de 1,5 ml à environ 2 litres. Les appareils industriels à ultrasons sont utilisés dans le développement de processus et la production pour des lots de 0,5 à environ 2000L ou des débits de 0,1L à 20m³ par heure.

Les processeurs industriels à ultrasons de Hielscher Ultrasonics peuvent fournir des amplitudes très élevées, ce qui permet de disperser et de broyer de manière fiable des particules à l'échelle nanométrique. Des amplitudes allant jusqu'à 200 µm peuvent être facilement exploitées en continu, 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7. Pour des amplitudes encore plus élevées, des sonotrodes ultrasoniques personnalisées sont disponibles.

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

Avantages de la dispersion par ultrasons Facilité de mise à l'échelle

Contrairement à d'autres technologies de dispersion, l'ultrasonication peut être facilement mise à l'échelle pour passer de la taille du laboratoire à celle de la production. Les essais en laboratoire permettent de sélectionner avec précision la taille de l'équipement nécessaire. Lorsqu'ils sont utilisés à l'échelle finale, les résultats du processus sont identiques à ceux obtenus en laboratoire.

Ultrasons : Robustes et faciles à nettoyer

La puissance ultrasonique est transmise dans le liquide par l'intermédiaire d'une sonotrode. Il s'agit d'une pièce symétrique typiquement rotative, usinée dans un titane solide de qualité aéronautique. Il s'agit également de la seule pièce en contact avec le liquide qui soit mobile ou vibrante. C'est la seule pièce sujette à l'usure et elle peut être facilement remplacée en quelques minutes. Les brides de découplage des oscillations permettent de monter la sonotrode dans des conteneurs pressurisables ouverts ou fermés ou dans des cellules d'écoulement dans n'importe quelle orientation. Aucun roulement n'est nécessaire. Toutes les autres pièces en contact avec le liquide sont généralement en acier inoxydable. Les réacteurs à cellules d'écoulement ont des géométries simples et peuvent être facilement démontés et nettoyés, par exemple par rinçage et essuyage. Il n'y a pas de petits orifices ou de coins cachés.

Nettoyeur à ultrasons en place

Les ultrasons sont bien connus pour leurs applications de nettoyage, telles que le nettoyage de surfaces et de pièces. L'intensité des ultrasons utilisée pour les applications de dispersion est beaucoup plus élevée que pour le nettoyage ultrasonique typique. En ce qui concerne le nettoyage des parties mouillées de l'appareil à ultrasons, la puissance des ultrasons peut être utilisée pour faciliter le nettoyage pendant le rinçage, car la cavitation ultrasonique/acoustique élimine les particules et les résidus liquides de la sonotrode et des parois de la cellule d'écoulement.

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Littérature / Références

• Brad W. Zeiger; Kenneth S. Suslick (2011): Sonofragmentation of Molecular Crystals. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 37, 14530–14533.
• 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.