Mélangeurs à haut cisaillement pour la fabrication de dentifrices

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

Fabrication de dentifrice

Les dentifrices, les dentifrices et les gels se composent de quatre éléments principaux : l'eau, 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 à hauteur d'au moins 50 % à la formulation du dentifrice. Les abrasifs couramment utilisés comprennent des 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 zéolithes, le mica et l'hydroxyapatite (Ca₅(PO₄)3OH).
Les formulations courantes de dentifrice et de dentifrice 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 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 rhéologiques et les liants donnent au dentifrice son épaisseur et sa texture. Les liants couramment utilisés sont la gomme karaya, la bentonite, l'alginate de sodium, la méthylcellulose, la carraghénine et le silicate de magnésium et d'aluminium. Certains modificateurs rhéologiques doivent être mélangés au préalable avec un ingrédient liquide non aqueux tel que la glycérine ou les huiles essentielles aromatisantes. Le modificateur de rhéologie peut également être mélangé à d'autres ingrédients en poudre afin de faciliter la dispersion colloïdale.
Au cours de l'étape suivante, des ingrédients actifs (fluorure de calcium, chlorure de zinc, hydroxyapatite, par exemple), des additifs édulcorants et des conservateurs sont mélangés au mélange.
Ensuite, une suspension contenant des particules abrasives et/ou des charges est incorporée au mélange de dentifrice. Les abrasifs étant l'ingrédient principal ajouté à une charge solide élevée, un mélange à haut cisaillement puissant et fiable est nécessaire pour accomplir cette tâche exigeante.
Ensuite, des additifs aromatiques et colorants sont ajoutés.
Lors de la dernière étape du mélange, un détergent ou un 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 faible intensité pour minimiser la formation de mousse. Les agents moussants courants sont le lauryl sulfate de sodium, le lauryl sulfoacetate de sodium, le sulfosuccinate de dioctyle et de sodium, le sulfolaurate, le lauryl sarcosinate de sodium, le fumarate de stéaryle de sodium et le lactate de stéaryle de sodium.

Un dentifrice de base typique est composé de :

• l'eau
• particules abrasives
• Humectants (par exemple sorbitol, glycérine)
• Tensioactifs stabilisants
• Modificateurs de la rhéologie (épaississants)
• Agents colorants
• Agents aromatiques
• Conservateurs (par exemple, p-hydrozybenzoate)
• Détergent

En fonction du type de dentifrice, d'autres ingrédients actifs tels que des bactéricides, des blanchisseurs, du fluor, etc. sont ajoutés.

Dentifrices naturels et labellisés

Les fabricants de dentifrices biologiques et naturels formulent des produits en utilisant uniquement 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 "clean label", de plus en plus de marques connues, petites et grandes, proposent des dentifrices "clean label". Les mélangeurs ultrasoniques sont également idéaux pour les petites et moyennes entreprises. 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 des 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).
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Comment fonctionne le mélange à haut cisaillement par sonication ?

Les mélangeurs ultrasoniques à haut cisaillement utilisent le même principe mécanique que d'autres systèmes de mélange industriels couramment utilisés, tels que les mélangeurs à lames à haut cisaillement, les mélangeurs à plusieurs arbres, les broyeurs colloïdaux, les homogénéisateurs à haute pression et les agitateurs à lames. Les mélangeurs ultrasoniques à haut cisaillement sont fréquemment utilisés pour disperser et broyer des particules, pour émulsifier des phases d'huile et d'eau, pour mouiller et solubiliser des matières solides, ainsi que pour produire des mélanges homogènes de tous types de liquides et de boues. Les mélangeurs à ultrasons transmettent les forces de cisaillement élevées par l'intermédiaire d'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 ultrasonique vibre dans le liquide à une fréquence et à une amplitude très élevées, créant ainsi des bulles de cavitation ultrasoniques intenses 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 des courants de cavitation à grande vitesse (jusqu'à 1000 km/h), les jets de liquide de cavitation accélèrent les particules. Lorsque les particules accélérées entrent en collision les unes avec les autres, elles agissent comme un support de broyage. Par conséquent, les particules qui entrent en collision se brisent et sont réduites à la taille d'un micron ou d'un 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 impressionnante de 300 000 tours/minute pour atteindre la même fréquence de cycles de pression alternés. Les mélangeurs rotatifs conventionnels et les mélangeurs rotor-stator ne créent pas de cavitation significative en raison de leur vitesse limitée.

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

Mélange ultrasonique de dentifrice

Les mélangeurs ultrasoniques à haut cisaillement peuvent être utilisés comme processeurs en ligne discontinus ou continus. Pour les matériaux très visqueux et le traitement de gros volumes, il est préférable d'utiliser un réacteur à cellule d'écoulement pressurisable, car cela permet de travailler dans des conditions d'ultrasonication intensifiées (c'est-à-dire que la pression intensifie la cavitation). En outre, l'utilisation d'une configuration de flux sophistiquée, telle qu'un passage ou une configuration de processus discret, permet de forcer le mélange complet de dentifrice à passer à travers la zone de cavitation ultrasonique dans la cellule d'écoulement. Cela garantit que chaque particule subit le même traitement, ce qui permet d'obtenir une dispersion et un mélange très uniformes.

Traitement des passages par ultrasons

À 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'une cuve à une autre en passant par le réacteur à ultrasons. Ce processus de passage garantit un résultat de mélange extrêmement fiable et uniforme. Alors qu'au cours d'un processus conventionnel de mélange par lots à cisaillement élevé, un mélange excessif doit être appliqué pour s'assurer que toutes les particules sont dispersées, la configuration de la cellule d'écoulement à ultrasons permet d'économiser du temps et de l'énergie, puisque le temps de traitement est réduit au minimum par particule.
Dans le cas d'un mélange par lots à cisaillement élevé classique, certaines particules sont surtraitées, tandis que d'autres n'entrent jamais dans la zone de mélange active. L'utilisation d'un réacteur à cellules d'écoulement à ultrasons garantit que chaque particule subit le même traitement par cisaillement élevé. 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 au réacteur ultrasonique ou à la cellule d'écoulement intensifie la cavitation acoustique. Hielscher Ultrasonics propose différents types de cellules d'écoulement et de réacteurs, qui peuvent facilement être pressurisés jusqu'à 5 bar. Les réacteurs ultrasoniques personnalisés peuvent supporter des pressions encore plus élevées, jusqu'à 300 bar.

Effets désaérateurs ultrasoniques

Les agitateurs à pales et les mélangeurs conventionnels à cisaillement élevé introduisent des volumes importants 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 prend du temps et de l'énergie. Pendant le mélange ultrasonique, le piégeage des bulles d'air est généralement très faible par rapport aux agitateurs de cuve conventionnels et aux mélangeurs à cisaillement élevé. L'utilisation d'un réacteur à cellules d'écoulement à ultrasons évite l'incorporation inutile de bulles de gaz non désirées, car le mélange est alimenté à partir du réservoir de stockage en un flux régulier dans un système fermé. Dans une cellule d'écoulement ultrasonique, le mélange de pâte est introduit sous pression continue dans la zone de cavitation ultrasonique. La configuration à flux ultrasonique empêche l'emprisonnement indésirable de gaz au cours du processus de mélange. En outre, la sonication est une technique bien établie de désaération et de dégazage qui favorise la coalescence des bulles d'air afin qu'elles puissent s'élever vers le haut et se volatiliser.
En savoir plus sur la désaération et le dégazage par ultrasons !

Les avantages des mélangeurs ultrasoniques haute performance

Les mélangeurs ultrasoniques à cisaillement élevé 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 réduire à une taille ciblée, qui peut être de l'ordre du micron ou du nanomètre. Les mélangeurs ultrasoniques à haut cisaillement en ligne sont idéaux pour traiter les produits pâteux tels que les dentifrices, les dentifrices et les gels, car ils peuvent facilement traiter des viscosités et des charges solides élevées. Les forces de cisaillement acoustiques permettent de mouiller complètement les ingrédients en poudre et de les mélanger uniformément en une pâte homogène.
En fonction de la dureté et de la fragilité des particules, les paramètres du processus ultrasonique peuvent être exactement ajustés pour obtenir le résultat de mélange souhaité. Comparés à d'autres méthodes de mélange telles que les agitateurs à pales à haut cisaillement, les homogénéisateurs à haute pression, les broyeurs colloïdaux/à 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, l'utilisation facile et sûre, la faible maintenance et la robustesse.

par lots et en ligne

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

Mélangeurs ultrasoniques pour chaque capacité de produit

La gamme de produits Hielscher Ultrasonics couvre tout le spectre des processeurs à ultrasons, depuis les ultrasons de laboratoire compacts jusqu'aux processeurs à ultrasons industriels capables de traiter des camions à l'heure, en passant par les systèmes de paillasse et les systèmes pilotes. La gamme complète de produits nous permet de vous proposer le mélangeur à cisaillement par ultrasons le mieux adapté à votre capacité de traitement et à vos objectifs.
Le passage d'un mélangeur à ultrasons de petite taille à des capacités de traitement plus élevées est très simple, car le processus de mélange par ultrasons peut être entièrement linéarisé à partir de vos paramètres de traitement établis. L'augmentation de la capacité peut se faire en installant un mélangeur à ultrasons plus puissant ou en regroupant plusieurs mélangeurs à ultrasons en parallèle.

Amplitudes élevées pour une efficacité de mélange élevée

Hielscher Ultrasonics’ Les processeurs industriels à ultrasons peuvent fournir des amplitudes très élevées. Des amplitudes allant jusqu'à 200µm 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. La robustesse de l'équipement ultrasonique de Hielscher permet un fonctionnement 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, dans des conditions difficiles et dans des environnements exigeants.

Des tests faciles et sans risque

Les procédés ultrasoniques peuvent être mis à l'échelle de manière totalement linéaire. Cela signifie que chaque résultat obtenu à l'aide d'un appareil à ultrasons de laboratoire ou de paillasse peut être mis à l'échelle pour obtenir exactement le même résultat en utilisant exactement les mêmes paramètres de processus. L'ultrasonication est donc 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, Hielscher accorde la priorité aux normes de qualité les plus élevées pour ses processeurs à ultrasons. Tous les appareils à ultrasons sont conçus, fabriqués et testés minutieusement dans notre siège social de Teltow, près de Berlin, en Allemagne. La robustesse et la fiabilité des équipements à ultrasons de Hielscher en font des outils de travail pour votre production. Le fonctionnement 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, à 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 dans n'importe quelle taille et exactement configurés pour répondre aux exigences de votre processus. Du traitement de fluides dans un petit bécher de laboratoire au mélange en continu de boues et de pâtes au niveau industriel, Hielscher Ultrasonics propose un mélangeur à haut cisaillement adapté à vos besoins ! Contactez nous – nous sommes heureux de vous recommander le mélangeur à ultrasons idéal !

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