Septembre 2007 - n°124
Nouvelle solution pour la Distribution automatique
des poudres - stockage et préservation des propriétés
physiques et de la fluidité
Par CH3-Biotech
La pesée ou distribution de poudres est une opération
de base dans tout laboratoire que ce soit d'analyse; de chimie ou dans d'autres
domaines.
De nombreuses tentatives ont eu lieu pour la distribution automatique maîtrisée
des échantillons en poudre ou granulaires. Elles se sont toutes soldées
par de semi-échecs ou de semi-réussites, la moyenne des poudres
traitées étant rarement supérieure à 50% des besoins.
Ces systèmes se heurtent aux problèmes récurrents dans
le traitement des poudres: génération de charges statiques;
formation d'arches; compactage; cohésivité; hygroscopie voire
dégradation de certaines molécules soumises à des forces
de cisaillement etc...
Les poudres, les particules ou les matériaux granulaires peuvent être
affectés par leur environnement ou les interactions durant leur stockage
ou leur distribution.
Les forces inter-particulaires affectant les
procédés de distribution
Les forces de Van der walls
Il existe entre les particules des attractions moléculaires collectivement
connues sous le nom de forces de Van Der Walls. L'énergie de ces forces
est de l'ordre de 0,1 electron-volt et diminue avec la distance entre les
particules.
Les forces dues au liquide absorbé
Les particules en présence de vapeur condensable, présentent
à leur surface une couche de vapeur condensée. Si ces particules
sont en contact, il en résulte une force de liaison due au chevauchement
des couches absorbées. La force de cette liaison est dépendante
de la surface de contact et de la force de tension des couches absorbées.
L'épaisseur et la force de ces couches augmentent avec l'augmentation
de la pression partielle de vapeur dans l'atmosphère environnante.
Il y a une pression partielle de vapeur à laquelle la liaison due à
la couche absorbée se transforme en une liaison de type pont liquide.
Les forces dues à des ponts liquides
En plus des forces résultant des couches de liquide absorbé,
comme décrit précédemment, même en très
faibles proportions la présence de liquide à la surface des
particules affecte les forces inter-particulaires par l'effet d'adoucissement
des imperfections de surface ( augmentation de la taille; des surfaces de
contact ) et par l'effet de réduction des distances inter-particulaires.
Cependant, ces forces sont généralement négligeables
comparées à celles produitent lorsque la proportion de liquide
est suffisante pour former des ponts liquides inter-particules. Dans le premier
cas, le liquide est maintenu comme un point de contact entre les particules.
Les pont liquides sont indépendants les uns des autres. Les solides
forces de liaison résultantes des tensions de surface du liquide attirent
les particules entre elles. De plus il y a une pression capillaire résultant
des courbes de liquide dans le pont. Si la pression dans le pont liquide est
inférieure à la pression ambiante, la pression capillaire et
les liaisons dues aux tensions de surface s'additionnent.
L'inertage sous Argon des flacons ou conteneurs de stockage est un moyen d'ajouter
une barrière physique à l'absorption d'humidité, il constitue
également une bonne protection contre l'oxydation éventuelle
des échantillons.
Les forces électrostatiques
Le chargement électrostatique des particules et des surfaces est causé
par les collisions entre les particules et les frottements de ces particules
sur le parois des équipements utilisés pendant la distribution.
La charge est causée par le transfert d'électrons entre les
corps. Les forces entre deux sphères chargées sont proportionnelles
au produit de leurs charges. Les forces électrostatiques peuvent être
attractives ou répulsives, ne nécessitent pas de contact entre
les particules et peuvent agir à relativement longues distances comparées
aux forces d'adhésion qui nécessitent un contact.
Pendant les procédés de distribution, les collisions entre les
grains augmentent les charges électrostatiques, particulièrement
lorsqu'une fluidisation est utilisée ( par ordre décroissant
: le secouage, la vibration, la rotation ... ) et tout autre stress mécanique.
L'ionisation durant la distribution diminue partiellement l'adhésion
particule / particule et particule / contenant. Dans tous les cas, il est
préférable de disperser les charges avant la distribution et
de réduire les stress mécaniques.
Ponts solides
Des liaisons permanentes sont crées au sein des grains par des ponts
solides formés lorsque du liquide est retiré des grains d'origine.
Si le matériau des grains est soluble dans le liquide absorbé,
des ponts cristallins peuvent se former quand le liquide s'évapore.
Lorsque l'évaporation réduit la proportion de liquide, des ponts
pendulaires de grande solidité se forment avant la formation de cristaux.
Des absorption et évaporation répétées peuvent
produire un ciment très solide liant les particules entre elles.
Dans une chimiothèque, les ouvertures / fermetures répétées
des flacons ou des conteneurs de poudre, augmente l'absorption d'humidité,
les variations naturelles du taux d'humidité dans l'atmosphère
ambiante peut conduire à la formation de ponts solides.
De plus, le stockage de poudre est soumis à la contraction naturelle
des espaces inter-particulaires et au compactage, ce paramètre est
accentué par les vibrations générées par les systèmes
de stockage automatisés.
Comparaison et intéraction entre les
différentes forces
En pratique, toutes les forces agissent simultanément. L'importance
des forces varie avec les changements des propriétés des particules
et des changements d'humidité dans l'atmosphère ambiante ( les
atmosphères des pièces de stockage sont généralement
contrôlées en humidité, les atmosphères des laboratoires
sont souvent mal maîtrisées ). Il y a de considérables
interactions entre les forces. Par exemple, l'absorption d'humidité
peut considérablement augmenter les forces de Van Der walls. L'absorption
d'humidité peut aussi réduire les frictions entre particules
et donc les risques de blocage, rendant la poudre plus fluide. Les forces
électrostatiques diminuent rapidement si l'humidité ambiante
est augmentée.
Une poudre qui dans une atmosphère sèche montre une cohésivité
due aux charges électrostatiques peut devenir plus fluide si l'humidité
atmosphérique est augmentée. Si l'humidité est encore
augmentée, la formation de ponts liquides peut générer
des comportements cohésifs.
En pratique, les forces de Van der Walls deviennent importantes pour les particules
en dessous de 1µm, les forces générées par l'humidité
absorbée sont actives à partir de 80 µm et les ponts liquides
sont actifs en dessous de 500 µm.
Plus vos particules sont petites, plus les forces de cohésion agissent
ensemble pour réduire la fluidité de la poudre.
Notre solution le système APODIS
Nous avons tenu compte de l'ensemble de ces caractéristiques physiques
pour concevoir notre système APODIS de distribution automatique de
poudres.
Ce système est conçu pour pouvoir inter-agir avec une balance;
un Phmètre; un spectromètre ou tout autre analyseur influencé
par la distribution d'une poudre.
Nous avons pris notre temps pour prendre en compte techniquement tous ces
éléments. Ainsi les premières études ont commencé
en 2002 , nous avons reçu l'appui de OSEO-Anvar en 2004 pour aboutir
au dépôt d'un brevet en 2006. Durant toute cette période,
4 systèmes totalement différents ont été testés,
3 prototypes de machine se sont succédés.
Au final notre système sera décliné en plusieurs versions
: du poste de pesée individuel semi-automatique au système totalement
automatisé.