Mélangeurs à haut cisaillement pour la fabrication de dentifrices

La fabrication de dentifrice est un processus exigeant qui nécessite un équipement de mélange capable de manipuler des pâtes visqueuses, des concentrations élevées de solides et des particules abrasives. Les mélangeurs à ultrasons à haut cisaillement fournissent des forces de cisaillement de haute intensité qui permettent un mouillage complet des poudres, une homogénéisation uniforme des boues colloïdales et une distribution uniforme de la taille des particules. Disponibles à l'échelle industrielle et capables de traiter de grands volumes, les mélangeurs ultrasoniques à haut cisaillement sont votre cheval de bataille dans la fabrication de dentifrices !

Fabrication de dentifrices

Les dentifrices et les gels sont constitués des quatre principaux composants de l'eau, à savoir les abrasifs, les fluorures et les détergents. Alors que la teneur en eau varie généralement entre 20 et 45 %, les abrasifs sont les principaux composants contribuant avec au moins 50 % à la formulation du dentifrice. Les abrasifs les plus utilisés sont les particules d'hydroxyde d'aluminium (Al(OH)₃), le carbonate de calcium (CaCO₃), le carbonate de sodium, divers hydrogénophosphates de calcium, les silices hydratées, les zéolites, le mica et l'hydroxyapatite (Ca₅(PO₄)3OH).
Les formulations courantes de dentifrices et de dentifrices sont généralement fabriquées en suivant les étapes ci-dessous :
Dans un premier temps, l'eau, l'humectant (par exemple, le sorbitol, la glycérine, le propylène glycol) et d'autres ingrédients liquides sont mélangés ensemble de manière à obtenir une base liquide.
Pour obtenir une certaine rhéologie et texture du dentifrice final, des modificateurs de rhéologie et des liants sont ajoutés à la base liquide. Les modificateurs de rhéologie et les liants donnent au dentifrice son épaisseur et sa texture. Les liants les plus couramment utilisés sont la gomme karaya, la bentonite, l'alginate de sodium, la méthylcellulose, la carraghénane et le silicate d'aluminium et de magnésium. Certains modificateurs de rhéologie doivent être pré-mélangés avec des ingrédients liquides non aqueux tels que la glycérine ou des huiles essentielles aromatisantes. Le modificateur de rhéologie peut également être mélangé à d'autres ingrédients en poudre afin de faciliter la dispersion colloïdale.
Dans l'étape suivante, des ingrédients actifs (par exemple, du fluorure de calcium, du chlorure de zinc, de l'hydroxyapatite), des additifs édulcorants et des conservateurs sont mélangés au mélange.
Ensuite, une boue contenant des particules abrasives et/ou des agents de remplissage est incorporée au mélange de dentifrice. Comme les abrasifs sont le principal ingrédient, qui sont ajoutés à une charge solide élevée, un mélange puissant, fiable et à fort cisaillement est nécessaire pour remplir cette tâche exigeante.
Ensuite, on ajoute des arômes et des colorants.
Dans l'étape finale du mélange, un détergent ou un agent moussant (agent moussant) qui agit comme stabilisateur et améliore la distribution uniforme du dentifrice pendant le brossage des dents, est ajouté à la formulation. Le détergent et l'agent moussant sont mélangés au mélange de dentifrice à une intensité douce pour minimiser la formation de mousse. Les moussants les plus courants sont le laurylsulfate de sodium, le laurylsulfoacétate de sodium, le dioctylsulfosuccinate de sodium, le sulfolaurate, le laurylsarcosinate de sodium, le stéarylfumarate de sodium et le stéaryllactate de sodium.

Une formulation de base typique de dentifrice consiste en :

• Eau
• Particules abrasives
• Humectants (par exemple, sorbitol, glycérine)
• Stabilisation des agents de surface
• Modificateurs de rhéologie (épaississants)
• Colorants
• Arômes
• Conservateurs (par exemple, p-hydrozybenzoate)
• Détergent

Selon le type de dentifrice, d'autres ingrédients actifs tels que des bactéricides, des agents blanchissants, du fluorure, etc. sont ajoutés.

Dentifrices naturels et propres

Les fabricants de dentifrices biologiques et naturels formulent des produits n'utilisant que des ingrédients certifiés biologiques et/ou naturels. Les marques de dentifrices naturels répondent à la demande des consommateurs soucieux de leur santé, qui veulent éviter les ingrédients artificiels que l'on trouve généralement dans les dentifrices ordinaires. En raison de la demande croissante des consommateurs pour des produits à label propre, de plus en plus de petites et grandes marques connues proposent des dentifrices à label propre. Les mélangeurs à ultrasons sont également idéaux pour les petites et moyennes entreprises de fabrication. En tant que méthode de mélange non thermique et purement mécanique, les ultrasons n'altèrent pas les formulations naturelles et organiques. Le mélange par ultrasons est compatible avec les ingrédients naturels tels que le bicarbonate de soude, l'aloe vera, l'huile d'eucalyptus, la myrrhe, les extraits de plantes (par exemple, sauge, menthe, extrait de fraise) et les huiles essentielles (par exemple, menthe, menthe verte, cannelle).
En savoir plus sur les mélangeurs à cisaillement à ultrasons pour la production de produits de beauté propres !

Comment fonctionne le mélange de haute cisaillement par sonication ?

Les mélangeurs ultrasoniques à haut cisaillement utilisent le même principe mécanique que les autres systèmes de mélange industriels couramment utilisés, par exemple les mélangeurs à pales à haut cisaillement, les mélangeurs à plusieurs arbres, les broyeurs colloïdaux, les homogénéisateurs à haute pression et les agitateurs à pales. Les mélangeurs ultrasoniques à haut cisaillement sont fréquemment utilisés pour disperser et broyer des particules, émulsifier des phases d'huile et d'eau, mouiller et solubiliser des matières solides ainsi que pour produire des mélanges homogènes de tout type de liquides et de boues. Les mélangeurs à ultrasons transmettent les forces de cisaillement élevées via une sonde ultrasonique dans une cuve de mélange, par exemple dans une cuve de traitement par lots ou dans une cellule d'écoulement. La sonde du mélangeur à ultrasons vibre dans le liquide à une fréquence et à des amplitudes très élevées, créant ainsi d'intenses bulles de cavitation ultrasonores dans le milieu. L'effondrement des bulles de cavitation entraîne de puissantes forces de cisaillement, qui perturbent et brisent les gouttelettes, les agglomérats, les agrégats et même les particules primaires. Comme la cavitation ultrasonique génère un flux cavitationnel à grande vitesse pouvant atteindre 1000 km/h, les jets liquides cavitationnels accélèrent les particules. Lorsque les particules accélérées entrent en collision les unes avec les autres, elles agissent comme un agent de broyage. En conséquence, les particules qui entrent en collision se brisent et sont réduites à la taille du micron ou du nanomètre. Dans le domaine de la cavitation ultrasonique, les pressions alternent rapidement et de manière répétée entre le vide et jusqu'à 1000 bars. Un mélangeur rotatif à 4 pales devrait fonctionner à une vitesse stupéfiante de 300 000 tr/min pour obtenir la même fréquence de cycles de pression alternée. Les mélangeurs rotatifs et les mélangeurs rotor-stator conventionnels ne créent pas de cavitation importante en raison de leur vitesse limitée.

Avant et après sonication: La courbe verte indique la taille des particules avant la sonication, la courbe rouge est la distribution de taille des particules de silice dispersée par ultrasons.

Mélange de dentifrice par ultrasons

Les mélangeurs ultrasoniques à haut cisaillement peuvent être utilisés comme des processeurs en ligne discontinus et continus. Pour les matériaux très visqueux et le traitement de gros volumes, l'utilisation d'un réacteur à cellule d'écoulement pressurisable est préférable car cela permet de fonctionner dans des conditions d'ultrasons intensifiés (c'est-à-dire que la pression intensifie la cavitation). De plus, en utilisant un dispositif d'écoulement sophistiqué tel qu'un passage ou un processus discret, le mélange complet de dentifrice est forcé de passer à travers la zone de cavitation ultrasonique dans la cellule à flux. Cela garantit que chaque particule reçoit le même traitement, de sorte qu'une dispersion et un mélange très uniformes sont obtenus.

Traitement des passages par ultrasons

Pour chaque étape du processus, c'est-à-dire lorsqu'un nouveau mélange d'ingrédients est ajouté à la base liquide, le mélange pâteux passe d'un réservoir à un autre en passant par le réacteur à ultrasons. Ce processus de passage garantit un résultat de mélange très fiable et uniforme. Alors que lors d'un processus de mélange par lots classique à fort cisaillement, il faut appliquer un mélange excessif pour garantir la dispersion de toutes les particules, la configuration de la cellule à flux ultrasonique permet de réaliser des économies de temps et d'énergie, puisque le temps de traitement est réduit au minimum par particule.
Dans le mélange discontinu conventionnel à fort cisaillement, certaines particules sont surtraitées, tandis que d'autres n'arrivent jamais dans la zone de mélange active. L'utilisation d'un réacteur à cellules à flux ultrasonique garantit que chaque particule subit le même traitement à haut cisaillement. Grâce au processus de passage, chaque particule est traitée à la même fréquence et à la même intensité.

Conseil de traitement : Mélange ultrasonique sous pression

L'application d'une pression sur le réacteur à ultrasons ou la cellule d'écoulement intensifie la cavitation acoustique. Hielscher Ultrasons fournit différents types de réacteurs et de cellules à flux, qui peuvent facilement être pressurisés jusqu'à 5 barg. Les réacteurs ultrasoniques sur mesure peuvent supporter des pressions encore plus élevées, jusqu'à 300 bar.

Effets de désaération des ultrasons

Les agitateurs à pales et les mélangeurs conventionnels à haut cisaillement introduisent de grands volumes de bulles de gaz dans le mélange, ce qui constitue un inconvénient majeur. La désaération du mélange final de dentifrice nécessite une étape de traitement supplémentaire, qui est consommatrice de temps et d'énergie. Lors du mélange par ultrasons, le piégeage des bulles d'air est généralement très faible par rapport aux agitateurs de cuve et aux mélangeurs à haut cisaillement classiques. L'utilisation d'un réacteur à cellule à flux ultrasonique permet d'éviter l'incorporation inutile de bulles de gaz indésirables, car le mélange est alimenté à partir du réservoir de stockage en flux constant dans un système fermé. Dans une cellule à flux ultrasonique, le mélange de pâte est introduit à une pression continue dans la zone de cavitation ultrasonique. Le système de circulation des ultrasons empêche le piégeage indésirable de gaz pendant le processus de mélange. De plus, la sonication est une technique bien établie de désaération et de dégazage et favorise la coalescence des bulles d'air afin qu'elles puissent monter en haut et se volatiliser.
En savoir plus sur la désaération et le dégazage par ultrasons !

Les avantages des mélangeurs ultrasoniques à haute performance

Les mélangeurs ultrasoniques à haut cisaillement créent des forces de cisaillement intenses, qui ont l'impact nécessaire sur les particules telles que les solides, les gouttelettes, les cristaux et les fibres afin de les décomposer à une taille ciblée, qui peut être de l'ordre du micron ou du nanomètre. Manipulant facilement des produits de haute viscosité et des charges solides élevées, les mélangeurs en ligne à ultrasons à haut cisaillement sont idéaux pour traiter des produits pâteux tels que les dentifrices, les dentifrices et les gels. Les forces de cisaillement acoustiques permettent d'obtenir un mouillage complet des ingrédients en poudre et de les mélanger uniformément pour obtenir une pâte homogène.
En fonction de la dureté et de la fragilité des particules, les paramètres du processus ultrasonore peuvent être ajustés avec précision pour obtenir le résultat de mélange souhaité. Par rapport aux autres méthodes de mélange, telles que les agitateurs à pales à haut cisaillement, les homogénéisateurs à haute pression, les broyeurs de colloïdes / de billes, les mélangeurs à arbre, etc., les mélangeurs ultrasoniques à haut cisaillement offrent des avantages majeurs, tels que la manipulation sans problème d'abrasifs et de charges solides élevées, le fonctionnement facile et sûr, la faible maintenance et la robustesse.

Par lots et en ligne

Les mélangeurs à haute performance de Hielscher Ultrasons peuvent être utilisés pour le traitement par lots et en ligne. En fonction du volume de votre processus et de votre débit horaire, le traitement en ligne peut être recommandé. Alors que le traitement par lots est plus exigeant en temps et en main-d'œuvre, un processus de mélange en ligne continu est plus efficace, plus rapide et nécessite beaucoup moins de main-d'œuvre.

Des mélangeurs ultrasoniques pour chaque capacité de produit

La gamme de produits Hielscher Ultrasons couvre tout l'éventail des processeurs ultrasoniques, depuis les ultrasonores compacts de laboratoire jusqu'aux processeurs ultrasoniques industriels capables de traiter des charges de camion à l'heure, en passant par les systèmes de table et les systèmes pilotes. La gamme complète de produits nous permet de vous proposer le mélangeur cisaille à ultrasons le mieux adapté à votre capacité de traitement et à vos objectifs.
Le passage d'un petit mélangeur à ultrasons à des capacités de traitement plus élevées est très simple, car le processus de mélange à ultrasons peut être entièrement linéaire et mis à l'échelle à partir des paramètres de processus établis. La mise à l'échelle peut se faire soit en installant un mélangeur à ultrasons plus puissant, soit en regroupant plusieurs ultrasonateurs en parallèle.

Des amplitudes élevées pour une grande efficacité de mélange

Hielscher Ultrasonics’ Les processeurs ultrasoniques industriels peuvent fournir des amplitudes très élevées. Des amplitudes allant jusqu'à 200µm peuvent être facilement utilisées en continu 24h/24 et 7j/7. Pour des amplitudes encore plus élevées, des sonotrodes ultrasoniques personnalisées sont disponibles. La robustesse de l'équipement ultrasonique de Hielscher permet un fonctionnement 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, dans des environnements difficiles et exigeants.

Des tests faciles et sans risque

Les processus ultrasonores peuvent être mis à l'échelle de manière totalement linéaire. Cela signifie que chaque résultat obtenu avec un ultrasonateur de laboratoire ou de table peut être mis à l'échelle pour obtenir exactement le même résultat en utilisant exactement les mêmes paramètres de processus. Cela rend l'ultrasonographie idéale pour le développement de produits et leur mise en œuvre ultérieure dans la fabrication commerciale.

La plus haute qualité – Conçu et fabriqué en Allemagne

En tant qu’entreprise familiale et familiale, Hielscher accorde la priorité aux normes de qualité les plus élevées pour ses processeurs à ultrasons. Tous les ultrasons sont conçus, fabriqués et testés à fond dans notre siège social à Teltow près de Berlin, en Allemagne. La robustesse et la fiabilité de l’équipement ultrasonique de Hielscher en font un cheval de travail dans votre production. Le fonctionnement 24h/24 et 7j/7 sous pleine charge et dans des environnements exigeants est une caractéristique naturelle des mélangeurs haute performance de Hielscher.

Vous pouvez acheter des mélangeurs ultrasoniques à haut cisaillement Hielscher de différentes tailles et configurés exactement selon les exigences de votre procédé. Du traitement des fluides dans un petit bécher de laboratoire au mélange en continu de boues et de pâtes au niveau industriel, Hielscher Ultrasons vous propose un mélangeur à haut cisaillement adapté ! Veuillez nous contacter – nous sommes heureux de vous recommander la configuration idéale de mélangeur ultrasonique !

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