Mélangeurs à fort cisaillement pour la fabrication de dentifrice

La fabrication de dentifrice est un procédé exigeant qui nécessite des équipements de mélange capables de traiter des pâtes visqueuses, des concentrations élevées en matières solides et des particules abrasives. Les mélangeurs à ultrasons à fort cisaillement fournissent des forces de cisaillement de haute intensité qui assurent un mouillage complet des poudres, une homogénéisation uniforme des suspensions colloïdales et une distribution granulométrique régulière. Disponibles à l’échelle industrielle et capables de traiter des flux de grands volumes, les mélangeurs à ultrasons à fort cisaillement sont votre bête de somme fiable dans la fabrication de dentifrice !

Fabrication de dentifrice

Les dentifrices, pâtes dentifrices et gels se composent de quatre composants principaux : l’eau, les abrasifs, les fluorures et les détergents. Alors que la teneur en eau varie le plus souvent entre 20 et 45%, les abrasifs sont les composants principaux, contribuant à hauteur d’au moins 50% à la formulation du dentifrice. Parmi les abrasifs largement utilisés figurent des particules d’hydroxyde d’aluminium (Al(OH)₃), de carbonate de calcium (CaCO₃), de carbonate de sodium, divers hydrogénophosphates de calcium, des silices hydratées, des zéolithes, du mica et de l’hydroxyapatite (Ca₅(PO₄)3OH).
Les formulations courantes de dentifrices et de pâtes dentifrices sont généralement fabriquées selon les étapes suivantes :
Tout d’abord, l’eau, l’humectant (p. ex. sorbitol, glycérine, propylène glycol) et les autres ingrédients liquides sont mélangés afin d’obtenir une base liquide.
Pour obtenir une rhéologie et une texture déterminées 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. Parmi les liants couramment utilisés figurent la gomme karaya, la bentonite, l’alginate de sodium, la méthylcellulose, le carraghénane et le silicate d’aluminium et de magnésium. Certains modificateurs de rhéologie doivent être prémélangés avec un ingrédient liquide non aqueux tel que la glycérine ou des huiles essentielles aromatisantes. Alternativement, le modificateur de rhéologie peut être mélangé à d’autres ingrédients en poudre afin de faciliter la dispersion colloïdale.
À l’étape suivante, les principes actifs (p. ex. fluorure de calcium, chlorure de zinc, hydroxyapatite), les additifs aromatiques édulcorants et les conservateurs sont incorporés au mélange.
Ensuite, une suspension contenant des particules abrasives et / ou des charges est incorporée au mélange de dentifrice. Comme les abrasifs constituent l’ingrédient principal, ajouté à une charge élevée en matières solides, un mélange à fort cisaillement puissant et fiable est nécessaire pour accomplir cette tâche exigeante.
Par la suite, les additifs aromatiques et colorants sont ajoutés.
Lors de l’étape de mélange finale, un détergent ou moussant (agent moussant), qui agit comme stabilisant et améliore la répartition uniforme du dentifrice pendant le brossage des dents, est ajouté à la formulation. Le détergent et le moussant sont incorporés au mélange de dentifrice à faible intensité afin de minimiser la formation de mousse. Les moussants courants sont le laurylsulfate de sodium, le laurylsulfoacétate de sodium, le dioctylsulfosuccinate de sodium, le sulfolaurate, le lauryl sarcosinate de sodium, le stéaryl fumarate de sodium et le stéaryl lactate de sodium.

Une formulation de base typique de dentifrice se compose de :

• Eau
• Particules abrasives
• Humectants (p. ex. sorbitol, glycérine)
• Tensioactifs stabilisants
• Modificateurs de rhéologie (épaississants)
• Colorants
• Arômes
• Conservateurs (p. ex. p-hydrozybenzoate)
• Détergent

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

Dentifrices naturels clean label

Les fabricants de dentifrices biologiques et naturels formulent leurs produits en utilisant uniquement des ingrédients certifiés biologiques et / ou naturels. Les marques de dentifrices naturels répondent à la demande de consommateurs soucieux de leur santé, qui souhaitent éviter les ingrédients artificiels que l’on trouve couramment dans les dentifrices classiques. En raison de la demande croissante des consommateurs pour des produits clean label, de plus en plus de marques, petites comme grandes et renommées, proposent des dentifrices clean label. Les mélangeurs à ultrasons sont également idéaux pour la fabrication à petite et moyenne échelle. En tant que méthode de mélange non thermique et purement mécanique, l’ultrasonication n’altère pas les formulations naturelles et biologiques. 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 (p. ex. extrait de sauge, de menthe, de fraise) et les huiles essentielles (p. ex. menthe, menthe verte, cannelle).
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Comment fonctionne le mélange à fort cisaillement par sonication ?

Les mélangeurs à ultrasons à fort cisaillement utilisent le même principe mécanique que d’autres systèmes de mélange industriels couramment utilisés, p. ex. les mélangeurs à pales à fort cisaillement, les mélangeurs multi-arbres, les broyeurs colloïdaux, les homogénéisateurs haute pression et les agitateurs à pales. Les mélangeurs à ultrasons à fort cisaillement sont fréquemment utilisés pour disperser et broyer des particules, émulsionner des phases huileuses et aqueuses, mouiller et solubiliser des matières solides ainsi que pour produire des mélanges homogènes de tout type de liquides et de suspensions. Les mélangeurs à ultrasons transmettent les forces de fort cisaillement via une sonde à ultrasons dans une cuve de mélange, par exemple un réservoir batch ou une cellule à circulation. 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 ultrasonore dans le milieu. L’implosion des bulles de cavitation génère de puissantes forces de cisaillement qui désagrègent et brisent les gouttelettes, les agglomérats, les agrégats et même les particules primaires. Comme la cavitation ultrasonore génère des courants de cavitation à grande vitesse pouvant atteindre 1000km/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 des médias de broyage. En conséquence, les particules qui se heurtent éclatent et sont réduites à une taille micrométrique ou nanométrique. Dans le champ de cavitation ultrasonore, les pressions alternent rapidement et de manière répétée entre le vide et jusqu’à 1000bar. Un mélangeur rotatif à 4 pales devrait tourner à la vitesse stupéfiante de 300 000 tr/min pour atteindre la même fréquence de cycles de pression alternés. Les mélangeurs rotatifs conventionnels et les mélangeurs rotor-stator ne génèrent pas de cavitation significative en raison de leur vitesse limitée.

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

Mélange de dentifrice par ultrasons

Les mélangeurs à ultrasons à fort cisaillement peuvent être utilisés comme processeurs en batch et en ligne continus. Pour les matériaux très visqueux et le traitement de grands volumes, l’utilisation d’un réacteur à cellule à circulation pressurisable est préférable, car cela permet de travailler dans des conditions d’ultrasonication intensifiées (c.-à-d. que la pression intensifie la cavitation). De plus, grâce à des configurations d’écoulement élaborées telles qu’une configuration de procédé par passage ou discrète, l’ensemble du mélange de dentifrice est contraint de traverser la zone de cavitation ultrasonore dans la cellule à circulation. Cela garantit que chaque particule reçoit le même traitement, de sorte qu’une dispersion et un mélange très uniformes sont obtenus.

Traitement par passage aux ultrasons

Pour chaque étape du procédé, c’est-à-dire lorsqu’un nouveau mélange d’ingrédients est ajouté à la base liquide, le mélange pâteux passe d’un réservoir à travers le réacteur à ultrasons vers un second réservoir. Ce procédé par passage garantit un résultat de mélange très fiable et uniforme. Alors que, lors d’un procédé conventionnel de mélange batch à fort cisaillement, un mélange excessif doit être appliqué pour garantir que toutes les particules soient dispersées, la configuration à cellule à circulation ultrasonique permet d’économiser du temps et de l’énergie, puisque le temps de traitement est réduit au traitement minimal par particule.
Dans le mélange batch conventionnel à fort cisaillement, certaines particules sont surtraitées, tandis que d’autres n’atteignent jamais la zone de mélange active. L’utilisation d’un réacteur à cellule à circulation ultrasonique garantit que chaque particule reçoit le même traitement à fort cisaillement. Grâce au procédé par passage, chaque particule est traitée à la même fréquence et à la même intensité.

Conseil de traitement : mélange par ultrasons sous pression

L’application d’une pression au réacteur à ultrasons ou à la cellule à circulation intensifie la cavitation acoustique. Hielscher Ultrasonics fournit divers types de cellules à circulation et de réacteurs, qui peuvent facilement être pressurisés jusqu’à 5 barg. Des réacteurs à ultrasons personnalisés peuvent supporter des pressions encore plus élevées, jusqu’à 300barg.

Effets de désaération par ultrasons

Les agitateurs à pales et les mélangeurs conventionnels à fort 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, coûteuse en temps et en énergie. Lors du mélange par ultrasons, le piégeage de bulles d’air est généralement très faible par rapport aux agitateurs de cuve et aux mélangeurs à fort cisaillement conventionnels. L’utilisation d’un réacteur à cellule à circulation ultrasonique empêche l’incorporation inutile de bulles de gaz indésirables, car le mélange est alimenté depuis le réservoir de stockage en un flux régulier dans un système fermé. Dans une configuration à cellule à circulation ultrasonique, le mélange pâteux est introduit sous pression continue dans la zone de cavitation ultrasonore. La configuration à circulation ultrasonique empêche le piégeage indésirable de gaz pendant le processus de mélange. En outre, la sonication est une technique bien établie de désaération et de dégazage et favorise la coalescence des bulles d’air afin qu’elles puissent remonter à la surface et se volatiliser.
En savoir plus sur la désaération et le dégazage par ultrasons !

Les avantages des mélangeurs à ultrasons haute performance

Les mélangeurs à ultrasons à fort cisaillement créent d’intenses forces de cisaillement, qui ont l’impact requis sur des particules telles que des solides, des gouttelettes, des cristaux et des fibres afin de les réduire à une taille cible, qui peut se situer dans la plage micrométrique ou nanométrique. Traitant aisément des viscosités élevées et des charges élevées en matières solides, les mélangeurs en ligne à ultrasons à fort cisaillement sont idéaux pour traiter des produits pâteux tels que les dentifrices, les pâtes dentifrices et les gels. Les forces de cisaillement acoustiques assurent un mouillage complet des ingrédients en poudre et les mélangent uniformément en une pâte homogène.
En fonction de la dureté et de la fragilité des particules, les paramètres du procédé ultrasonique peuvent être ajustés avec précision pour obtenir le résultat de mélange visé. Comparés à d’autres méthodes de mélange telles que les agitateurs à pales à fort cisaillement, les homogénéisateurs haute pression, les broyeurs colloïdaux / broyeurs à billes, les mélangeurs à arbre, etc., les mélangeurs à ultrasons à fort cisaillement offrent des avantages majeurs tels que la manipulation sans problème des abrasifs et des charges élevées en matières solides, un fonctionnement simple et sûr, un entretien réduit et la robustesse.

Batch et en ligne

Les mélangeurs haute performance de Hielscher Ultrasonics peuvent être utilisés pour le traitement en batch et en ligne. En fonction de votre volume de traitement et de votre capacité de traitement horaire, un traitement en ligne peut être recommandé. Alors que le traitement en batch demande plus de temps et de main-d’œuvre, un procédé de mélange continu en ligne est plus efficace, plus rapide et nécessite nettement moins de main-d’œuvre.

Mélangeurs à ultrasons pour toutes les capacités de production

La gamme de produits Hielscher Ultrasonics couvre tout le spectre des processeurs à ultrasons, des ultrasonicateurs de laboratoire compacts aux systèmes de paillasse et pilotes, jusqu’aux processeurs à ultrasons entièrement industriels capables de traiter des chargements de camion par heure. Cette gamme complète nous permet de vous proposer le mélangeur à cisaillement par ultrasons le plus 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 procédé de mélange par ultrasons peut être mis à l’échelle de façon entièrement linéaire à partir de vos paramètres de procédé établis. La mise à l’échelle peut se faire soit en installant une unité de mélange à ultrasons plus puissante, soit en regroupant plusieurs ultrasonicateurs en parallèle.

Amplitudes élevées pour une grande efficacité de mélange

Les processeurs à ultrasons industriels de Hielscher Ultrasonics peuvent fournir des amplitudes très élevées. Des amplitudes allant jusqu’à 200µm peuvent facilement être maintenues en continu en fonctionnement 24/7. Pour des amplitudes encore plus élevées, des sonotrodes à ultrasons personnalisées sont disponibles. La robustesse des équipements à ultrasons de Hielscher permet un fonctionnement 24/7 en service intensif et dans des environnements exigeants.

Essais simples et sans risque

Les procédés par ultrasons peuvent être mis à l’échelle de façon entièrement linéaire. Cela signifie que chaque résultat obtenu avec un ultrasonicateur de laboratoire ou de paillasse peut être transposé pour obtenir exactement le même rendement en utilisant exactement les mêmes paramètres de procédé. L’ultrasonication est donc idéale pour le développement de produits et leur mise en œuvre ultérieure dans la fabrication commerciale.

Qualité supérieure – conçu et fabriqué en Allemagne

En tant qu’entreprise familiale, détenue et dirigée par une famille, Hielscher accorde la priorité aux normes de qualité les plus élevées pour ses processeurs à ultrasons. Tous les ultrasonicateurs sont conçus, fabriqués et minutieusement testés dans notre siège social à Teltow, près de Berlin, en Allemagne. La robustesse et la fiabilité des équipements à ultrasons de Hielscher en font une bête de somme dans votre production. Le fonctionnement 24/7 à pleine charge et dans des environnements exigeants est une caractéristique naturelle des mélangeurs haute performance de Hielscher.

Vous pouvez acheter des mélangeurs à ultrasons à fort cisaillement Hielscher dans toutes les tailles et configurés précisément selon les exigences de votre procédé. Du traitement de fluides dans un petit bécher de laboratoire au mélange en flux continu de suspensions et de pâtes à l’échelle industrielle, Hielscher Ultrasonics vous propose un mélangeur à fort cisaillement adapté ! N’hésitez pas à nous contacter – nous serons heureux de vous recommander la configuration de mélangeur à ultrasons idéale !

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