Mélangeurs à ultrasons à fort cisaillement pour le traitement par lots à l’échelle du laboratoire et de la production

Le mouillage, l’hydratation, l’homogénéisation, le broyage, la dispersion, l’émulsification et la dissolution sont des applications courantes des mélangeurs à ultrasons à fort cisaillement de Hielscher pour le traitement par lots. Le mélange par lots à ultrasons s’effectue à grande vitesse et fournit des résultats fiables et reproductibles, pour des performances de traitement remarquables à l’échelle du laboratoire, sur paillasse et à l’échelle de la production commerciale. Les homogénéisateurs polyvalents de Hielscher pour le traitement par lots permettent de mélanger à grande vitesse des mélanges solide/liquide et liquide/liquide uniformes répondant aux exigences les plus élevées de qualité du produit.

Mélange par lots à grande vitesse par ultrasons : intensification des procédés grâce à des forces de cisaillement élevées

• Dispersion rapide : Désagglomération instantanée des matériaux submicroniques et nanométriques.
• Traitement polyvalent : Idéal pour les viscosités élevées, les pâtes et les matériaux abrasifs.
• Mise à l’échelle linéaire : Résultats entièrement reproductibles, du laboratoire à la production à pleine échelle.
• Efficacité énergétique : Consommation d’énergie inférieure à celle des technologies concurrentes.

Mélange par lots à grande vitesse grâce aux forces de cisaillement élevées des ultrasons

Le mélange par lots à fort cisaillement par ultrasons représente une avancée significative par rapport aux technologies conventionnelles telles que les mélangeurs rotor-stator, les mélangeurs à jets et les systèmes UltraTurrax, offrant une efficacité de traitement et une qualité de produit supérieures. Alors que les méthodes traditionnelles reposent sur le cisaillement mécanique, les mélangeurs à ultrasons utilisent des ondes sonores de haute énergie pour induire une cavitation acoustique, créant un environnement de micromélange unique caractérisé par des conditions locales extrêmes. Ce phénomène génère des ondes de choc et des jets de liquide à grande vitesse atteignant jusqu’à 280 m/s, qui assurent la microagitation intense nécessaire au mouillage rapide des poudres, à la désagglomération instantanée des particules submicroniques et des nanoparticules, ainsi qu’à la création d’émulsions parfaitement homogènes.
Au-delà de ces avantages en matière de micromélange, les systèmes à ultrasons présentent une efficacité énergétique nettement supérieure, traitent aisément les matériaux abrasifs et permettent un nettoyage rapide sans endommagement (CIP/SIP), ce qui en fait le choix idéal pour les applications industrielles exigeantes.

À qui s’adresse le mélange par lots à fort cisaillement par ultrasons ?

Le mélange par lots à fort cisaillement par ultrasons est idéal pour les fabricants, les formulateurs et les équipes de R&D des secteurs où la précision, la constance et la dispersion rapide sont indispensables. Il est particulièrement utile aux entreprises qui traitent des matériaux nanométriques et submicroniques, des pâtes à haute viscosité, des suspensions abrasives ou des formulations complexes solide-liquide et liquide-liquide. Les secteurs tels que les cosmétiques, les produits pharmaceutiques, les matériaux avancés, l’alimentation et les boissons, les peintures et les revêtements, les produits chimiques de spécialité et les nanotechnologies s’appuient sur cette technologie pour obtenir un mouillage instantané des poudres, des émulsions uniformes et une réduction constante de la taille des particules sans dégradation thermique. Si votre procédé exige des résultats reproductibles, une mise à l’échelle entièrement linéaire du laboratoire à la production et une consommation d’énergie inférieure à celle des systèmes rotor-stator traditionnels, le mélange par lots à fort cisaillement par ultrasons est conçu pour répondre exactement à vos spécifications.

Cavitation acoustique – Le principe de fonctionnement des forces de cisaillement et du mélange par ultrasons

Lorsque des ondes ultrasonores de haute énergie sont couplées dans des liquides et des suspensions, des cycles alternés de haute pression et de basse pression (par exemple, 20 000 cycles par seconde à 20kHz) génèrent des bulles de vide ou des cavités dans le liquide. Ces bulles grossissent sur plusieurs cycles jusqu’à s’effondrer violemment, car elles ne peuvent plus absorber d’énergie. Lors de l’implosion des bulles, des conditions locales extrêmes sont générées : des températures allant jusqu’à 5 000K, des pressions allant jusqu’à 2 000atm et des jets de liquide atteignant une vitesse de 280m/s. Ce phénomène est appelé cavitation. La cavitation ultrasonore est utilisée avec succès dans de nombreuses applications de mélange et de broyage, par exemple pour traiter des colloïdes, des poudres, des fluides, des huiles, des graisses, des résines, des résines époxy, des pâtes pigmentaires, des encres, des peintures, des silicones, des crèmes, des gels, des polymères, des uréthanes et bien d’autres substances.
 

Le mélange par ultrasons repose sur la cavitation acoustique et ses forces de cisaillement hydrodynamiques.

Pourquoi les ultrasons ? – Pour une maîtrise complète du procédé

Le mélange par ultrasons vous permet de maîtriser avec précision tous les paramètres importants du procédé. Cela est essentiel pour obtenir des résultats de traitement optimaux tout en fonctionnant avec une efficacité maximale.

• Amplitude ultrasonore :

Le déplacement des surfaces horizontales de la sonotrode (pavillon ou sonde ultrasonore) peut être adapté aux exigences du procédé par le réglage de puissance de l’appareil à ultrasons, le choix de la sonotrode et l’utilisation d’un amplificateur d’amplitude.

• Pression :

L’application d’une pression au procédé de sonication intensifie le traitement ; cette technique est appelée manosonication (MS). Sous des pressions élevées, la cavitation ultrasonore devient plus intense et plus violente. Hielscher propose donc des réacteurs discontinus fermés pouvant être mis sous pression.

• Durée de sonication :

En règle générale, plus la durée de sonication est longue, plus le procédé progresse, par exemple en matière de réduction de taille, de dispersion, etc. – à condition que l’intensité appliquée soit suffisante pour agir sur le milieu traité.

• Température :

Le traitement par ultrasons est une technique mécanique non thermique. Toutefois, selon les lois de la thermodynamique, l’énergie couplée dans la matière finit toujours par se transformer en chaleur. Cependant, l’efficacité énergétique remarquable des sonicateurs Hielscher garantit que jusqu’à 90% de l’énergie prélevée à la prise électrique est convertie en ondes ultrasonores et couplée dans le milieu traité.

• Viscosité :

La viscosité du milieu traité est un facteur important pour le traitement par ultrasons. Pour les applications telles que la réduction de la taille des particules, le broyage et la dispersion, les collisions entre particules provoquées par les ondes de choc de cavitation constituent l’un des principaux effets du procédé qui entraînent la fragmentation des particules ; une forte concentration en particules est donc bénéfique.

Concevons votre solution de mélange idéale !

Pour déterminer les conditions de traitement optimales (= meilleur résultat avec l’apport d’énergie minimal nécessaire), les paramètres mentionnés ci-dessus doivent être définis en fonction de l’objectif du procédé.
Les essais de faisabilité et l’optimisation du procédé peuvent être facilement réalisés à l’échelle du laboratoire et sur paillasse. Tous les résultats obtenus peuvent être reproduits exactement et transposés linéairement à l’échelle de la production. Hielscher Ultrasonics vous propose des conseils professionnels et un laboratoire de procédés entièrement équipé où nous pouvons optimiser le procédé avec vous ou pour vous !
Hielscher est votre spécialiste des solutions de procédés ultrasonores. Contactez-nous dès aujourd’hui : nous nous ferons un plaisir de vous recommander l’appareil adapté aux besoins de votre application !

Bibliographie / Références

• Han N.S., Basri M., Abd Rahman M.B. Abd Rahman R.N., Salleh A.B., Ismail Z. (2012): Preparation of emulsions by rotor-stator homogenizer and ultrasonic cavitation for the cosmeceutical industry. Journal of Cosmetic Science Sep-Oct; 63(5), 2012. 333-44.
• Badgujar, N.P.; Bhoge, Y.E.; Deshpande, T.D.; Bhanvase, B.A.; Gogate, P.R.; Sonawane, S.H.; Kulkarni, R.D. (2015): Ultrasound assisted organic pigment dispersion: advantages of ultrasound method over conventional method. Pigment ; Resin Technology, Vol. 44 No. 4, 2015. 214-223.
• Marija Ćosić, Antonija Čelan, Ivana Crnogorac, Ante Bilušić (2025): The effects of impeller diameter in sonicated and silent systems on crystallisation of borax decahydrate. Chemical Engineering Research and Design, Volume 223, 2025. 706-716.