Broyage humide par ultrasons : des particules fines, obtenues avec une grande précision

Les sonicateurs Hielscher constituent des équipements de broyage performants permettant une réduction de la taille des particules, une nanodispersion et une émulsification hautement efficaces grâce à une cavitation ultrasonique contrôlée et de forte intensité. Conçus aussi bien pour la recherche que pour une utilisation à l'échelle industrielle, ces systèmes permettent de désagréger de manière fiable les agglomérats, d'affiner les poudres et de créer des suspensions homogènes dans les secteurs pharmaceutique, cosmétique, des nanomatériaux et des produits chimiques de spécialité.

De la poudre grossière à des micro- et nanoparticules uniformes

Les soniqueurs à sonde Hielscher permettent un broyage humide et un broyage fin puissants et réglables avec précision – sans billes, boulettes ou autres agents de broyage. Permet d’obtenir des suspensions homogènes à forte teneur en solides, présentant une distribution granulométrique étroite, tout en réduisant la durée de traitement et la consommation d’énergie.
Grâce à un contrôle précis de l'amplitude et à une propagation avancée des ondes acoustiques, les soniqueurs permettent d'obtenir des résultats homogènes avec un impact thermique minimal, préservant ainsi les composés sensibles tout en optimisant le débit et la reproductibilité. Découvrez comment le broyage par ultrasons peut rationaliser votre processus de formulation et améliorer les performances de vos produits.

À qui s'adresse le broyage humide par ultrasons ?

• Fabricants ayant besoin d'une réduction contrôlée des particules à l'échelle du micron ou du nanomètre
• Fabricants de pigments, d'encres, de peintures et de revêtements haute performance
• Processeurs pour céramique, minéraux, ciment et oxydes métalliques
• Les formulateurs de produits pharmaceutiques et cosmétiques qui développent des suspensions fines
• Fabricants de batteries, de catalyseurs et de matériaux de pointe
• Entreprises traitant des boues très concentrées ou très visqueuses
• Laboratoires développant des procédés de réduction de la taille des particules adaptables à grande échelle
• Les fabricants à la recherche d'une distribution granulométrique étroite et homogène
• Activités souhaitant éviter toute contamination par des billes ou des perles de broyage
• Les producteurs qui cherchent à réduire la durée de broyage, la consommation d'énergie et les besoins en nettoyage

Réduction contrôlée de la taille des particules par ultrasons de puissance

La réduction de la taille des particules à l'échelle du micron ou du nanomètre peut transformer une formulation. Des particules plus fines peuvent améliorer la réactivité, la stabilité, la surface spécifique, les propriétés optiques et les performances du produit final. Cependant, les broyeurs conventionnels à billes, à perles et à médias peuvent introduire des particules d'usure, nécessiter une séparation laborieuse des médias et peiner à assurer un traitement homogène à des concentrations élevées en matières solides. Le broyage humide par ultrasons offre une alternative propre et contrôlable.
Les sonicateurs à sonde Hielscher transmettent des ultrasons de haute intensité directement dans un liquide ou une suspension. Les ondes de pression alternées provoquent une cavitation acoustique : des bulles microscopiques se forment et s'effondrent avec une intensité extrême, générant des jets de liquide à grande vitesse, des ondes de choc et de puissantes forces de cisaillement. Ces forces provoquent des collisions entre les particules en suspension. Les collisions entre particules, la fragmentation et l'érosion de surface qui en résultent réduisent les agglomérats – et, dans des conditions suffisamment intenses, les particules primaires – jusqu'aux tailles micro et nano.
 

Trihydrate d'alumine broyé par ultrasons
L'AL(OH)₃ a été fourni par Alcoa World Alumina LLC, Pittsburgh, Pennsylvanie, États-Unis. L'AL(OH)₃ est également connu sous les noms de « trihydroxyde d'aluminium série ATH », « alumine hydratée Bayer », « C-30 », « KB-30 », « KC-30 », « KH-30 », « hydragyllite » ou « gibbsite ». Il présente une dureté sur l'échelle de Mohs’ dureté comprise entre 2,5 et 3,5.

Une distribution granulométrique précise, reproductible et homogène

Le broyage par ultrasons est hautement modulable. Les opérateurs peuvent contrôler l’amplitude, l’apport d’énergie, la pression, la température, le temps de séjour et le débit afin de s’adapter au matériau et à la granulométrie souhaitée. Ce procédé convient ainsi à toutes les applications, de la désagglomération douce au broyage fin intensif. Les configurations à recirculation et à cellule de flux en ligne exposent la suspension de manière uniforme à la zone de cavitation, ce qui garantit des résultats reproductibles et une distribution granulométrique étroite et homogène.
Ce niveau de contrôle est particulièrement utile pour les pigments, les encres, les revêtements, les céramiques, les oxydes métalliques, les minéraux, les catalyseurs, les produits pharmaceutiques et d’autres matériaux de pointe, pour lesquels la présence de particules trop grosses ou une distribution granulométrique trop large peut nuire à la qualité. Les paramètres de procédé définis en laboratoire peuvent être transposés à l’échelle pilote puis à la production industrielle, ce qui permet un développement et une mise à l’échelle systématiques.

Traitement à haute teneur en solides sans corps de broyage

La réduction des particules étant assurée par la cavitation et les collisions entre les particules elles-mêmes, aucune bille, perle ou boule de broyage n'est nécessaire. L'élimination des corps de broyage permet d'éviter une source potentielle de contamination et supprime la nécessité d'acheter, de nettoyer, de remplacer et de séparer ces corps de la suspension finale. La géométrie simple des surfaces en contact avec le produit facilite également le nettoyage et le changement de produit.
Les soniqueurs Hielscher permettent de traiter des suspensions très concentrées et visqueuses. Une forte teneur en matières solides signifie moins de liquide à traiter et, dans de nombreux cas, une concentration ou un séchage en aval moins importants. Cela permet également de renforcer l'effet de broyage interparticulaire en augmentant la fréquence des collisions entre particules. Cette combinaison rend le broyage par ultrasons particulièrement intéressant pour les mélanges-maîtres concentrés et les suspensions à l'échelle industrielle.
 

Images au microscope illustrant le déroulement du broyage par ultrasons de pigments magenta à base d'huile

Exemples : broyage humide de nanoparticules par ultrasons de puissance

Le broyage par ultrasons est particulièrement adapté au traitement de matériaux de taille micrométrique et nanométrique, tels que les céramiques, l'alumine trihydratée, le sulfate de baryum, le carbonate de calcium et les oxydes métalliques. Les tableaux ci-dessous présentent des images microscopiques du broyage de l'alumine trihydratée (de 150 microns à 10 microns), de céramiques (de 30 microns à 2 microns) et de carbonate de sodium (de 70 microns à 3 microns). Les images microscopiques présentées sur cette page vous montrent l'évolution du broyage par ultrasons à partir d'exemples de céramiques dentaires, de pigments magenta, de carbonate de sodium et d'alumine hydratée.
 

Images au microscope illustrant le déroulement du broyage par ultrasons du carbonate de sodium (Na₂CO₃) dans de l'isopropanol.

Un rendement accru à chaque étape de transformation

L'énergie ultrasonique est transmise directement dans la suspension, où s'opère la réduction de la taille des particules. Les forces de cavitation rapides permettent de raccourcir les cycles de broyage, tandis que la conversion efficace de l'énergie électrique en mouvement mécanique permet de réduire la consommation d'énergie par rapport aux équipements de broyage classiques. Le traitement en continu en ligne favorise en outre un débit élevé, une qualité constante et l'intégration dans les lignes de production existantes.
Pour les fabricants à la recherche de particules plus fines, de distributions granulométriques plus précises, d'un traitement plus propre et d'une extrapolation efficace, les soniqueurs à sonde Hielscher transforment le broyage humide en un procédé conçu avec précision. – des essais en laboratoire à la production industrielle en continu.

Fonctionnement en continu pour un débit élevé

Les homogénéisateurs à ultrasons sont très faciles à installer et à utiliser. Seules deux pièces sont en contact avec le matériau à broyer : la sonotrode en titane et la cellule d'écoulement en acier inoxydable. Grâce à la conception simple de la cellule d'écoulement à ultrasons, les appareils peuvent être nettoyés rapidement. Les appareils à ultrasons Hielscher présentant un rendement très élevé dans la conversion de l'énergie électrique en énergie mécanique, le broyage par ultrasons nécessite généralement moins de puissance que les équipements de broyage conventionnels.

Sonicateur industriel UIP6000hdT (6 kW) destiné à la dispersion simultanée des pigments et à la stérilisation microbienne des formulations de peintures et de revêtements à base d'eau [/caption]L'effet de broyage des particules repose sur une cavitation ultrasonique intense. Lors de la sonication de liquides à haute intensité, les ondes sonores qui se propagent dans le milieu liquide entraînent des cycles alternés de haute pression (compression) et de basse pression (rarefaction), dont la fréquence dépend de la fréquence sonore. Au cours du cycle de basse pression, les ondes ultrasoniques de forte intensité créent de petites bulles de vide ou des vides dans le liquide. Lorsque les bulles atteignent un volume ne leur permettant plus d’absorber d’énergie, elles s’effondrent violemment pendant un cycle de haute pression. Ce phénomène est appelé cavitation.
L'implosion des bulles de cavitation entraîne des micro-turbulences et des micro-jets pouvant atteindre 1000 km/h. Les grosses particules sont soumises à une érosion de surface (par effondrement de la cavitation dans le liquide environnant) ou à une réduction de la taille des particules (due à la fission par collision interparticulaire ou à l'effondrement des bulles de cavitation formées à la surface). Cela entraîne une forte accélération de la diffusion, des processus de transfert de masse et des réactions en phase solide en raison de la modification de la taille et de la structure des cristallites.

Des processeurs à ultrasons et des cellules de flux destinés à la dispersion et au broyage humide des poudres sont disponibles pour une utilisation en laboratoire et en production. Les systèmes industriels peuvent facilement être adaptés pour fonctionner en ligne. Pour la recherche et les essais liés à ce procédé, ainsi que pour de nombreux procédés sonochimiques, nous recommandons nos appareils de laboratoire ou le modèle UIP1000hd.

Les nanodiamants peuvent être dispersés de manière efficace et fiable à l'aide d'ultrasons Hielscher.

Littérature / Références