Guide de base sur l’analyse granulométrique-1

par Seungji Kim, Tuesday, 27th November 2012

Guide de base sur l’analyse des caractéristiques des particules

Introduction
  L’objectif de ce guide est de fournir une formation de base sur les principales techniques d’analyse des caractéristiques des particules actuellement utilisées dans les domaines industriels et académiques. analyse des caractéristiques des particules à ceux qui n’ont pas de connaissances préalables sur la théorie ou la mesure de l’analyse des caractéristiques des particules.Ce guide convient à ceux qui cherchent à élargir leurs connaissances sur les particules ou dans ce domaine.  Ce guide sert non seulement de référence facile pour aider à déterminer quelle technique d’analyse des caractéristiques des particules est la plus adaptée aux besoins du lecteur, mais couvre également les bases de l’initiation à l’analyse des caractéristiques des particules, la théorie et la mesure de l’analyse des caractéristiques des particules.
Qu’est-ce qu’une particule ?
  À un niveau fondamental, une particule peut être définie comme une sous-partie individuelle de matière. Nous allons limiter la définition d’une particule pour inclure des particules solides, des gouttes liquides ou des bulles de gaz ayant des dimensions physiques allant du dessous de 1 nanomètre à plusieurs millimètres.

Les types de substances les plus courantes composées de particules sont les suivants :

• Poudres et granulés (par exemple : pigments, ciment, ingrédients pharmaceutiques)
• Suspensions, émulsions et suspensions (par exemple : vaccins, lait, boue minière)
• Aérosols et sprays (par exemple : inhalateurs pour les asthmatiques, sprays de protection des cultures)
Pourquoi mesurer les caractéristiques des particules ?
 La raison principale pour laquelle l’analyse des caractéristiques des particules est couramment utilisée dans de nombreux secteurs industriels est largement due à deux raisons.

1. Amélioration du contrôle de la qualité des produits
Avec la compétition accrue dans l’économie mondiale, l’amélioration du contrôle de la qualité des produits apporte en fait des avantages économiques tels que :
• Ajout d’une prime plus élevée aux produits
• Réduction du taux de refus des clients et des pertes de commandes
• Preuve de conformité dans les marchés réglementés
2. Compréhension améliorée des produits, composants et processus
En plus du contrôle de la qualité des produits, la compréhension de l’impact des caractéristiques des particules sur les produits, les composants et les processus permet de :
• Améliorer les performances du produit
• Ajuster les problèmes de fabrication et d’approvisionnement
• Maximiser l’efficacité des processus de fabrication
• Augmenter le rendement ou améliorer la rentabilité
• Prendre l’avantage sur la concurrence.
Quelles sont les caractéristiques des particules importantes à mesurer ?
  Avec la composition chimique, les propriétés des matériaux particulaires sont souvent influencées par les propriétés physiques des particules constitutives. Cela peut affecter de nombreuses propriétés des matériaux, telles que la réactivité et la vitesse de dissolution, la facilité avec laquelle les composants coulent et se mélangent, ou la compressibilité et l’abrasivité. Du point de vue de la fabrication et du développement, les propriétés physiques les plus importantes à mesurer sont :
• Taille des particules
• Forme des particules
• Propriétés de surface
• Propriétés mécaniques
• Propriétés de charge
• Microstructure

  Selon la substance d’intérêt, certaines ou la totalité des propriétés physiques ci-dessus peuvent être importantes et même inter-reliées (par exemple, surface et taille des particules). Pour les besoins de ce guide, nous nous concentrerons plus particulièrement sur deux caractéristiques importantes et faciles à mesurer – la taille et la forme des particules.
Caractéristiques des particules

Taille des particules

  La caractéristique physique la plus importante d’un échantillon particulaire est la taille des particules. La mesure de la taille des particules est couramment réalisée dans divers secteurs industriels et constitue souvent un paramètre crucial dans la fabrication de nombreux produits. La taille des particules influence directement les propriétés suivantes des matériaux :

• Réactivité ou taux de dissolution (par exemple, catalyseurs, comprimés)
• Stabilité de la suspension (par exemple, sédiments, peintures)
• Efficacité de délivrance (par exemple, inhalateurs pour asthmatiques)
• Texture et sensation (par exemple, ingrédients alimentaires)
• Appartenance (par exemple, revêtements en poudre et encres)
• Flux et manutention (par exemple, granulés)
• Viscosité (par exemple, sprays nasaux)
• Densité de charge et porosité (par exemple, céramiques)

  La compréhension de la mesure de la taille des particules et de son impact sur les produits et les processus peut jouer un rôle crucial dans le succès de nombreuses activités de fabrication.

Comment définir la taille des particules ?

  Une particule est un objet tridimensionnel et, sauf si elle est parfaitement sphérique (par exemple, émulsions ou bulles), ne peut pas être entièrement décrite par une mesure unidimensionnelle telle que le rayon ou le diamètre. 

  Pour simplifier le processus de mesure, il est souvent pratique de définir la taille des particules en utilisant le concept de sphères équivalentes. Dans ces cas-là, la taille est définie par le diamètre d’une sphère équivalente ayant les mêmes caractéristiques que la particule réelle, telles que le volume ou la masse. Il est important de comprendre que différentes techniques de mesure utilisent différents modèles de sphères équivalentes et n’obtiennent pas nécessairement les mêmes résultats de diamètre de particule.


  Le concept de sphères équivalentes s’applique très bien aux particules de forme régulière. Cependant, il peut ne pas convenir pour les particules de forme irrégulière telles que les aiguilles ou les plaques, où au moins une dimension peut différer significativement des autres. 

 

 

   Dans le cas de la particule de forme bâtonnet illustrée ci-dessus, la sphère équivalente en volume a un diamètre de particule de 198μm, ce qui n’est pas une description précise en termes de dimensions réelles. Cependant, nous pouvons également définir cette particule comme un cylindre de même volume, de 360μm de long et 120μm de large. Cette approche décrit la taille de la particule plus précisément et permet une meilleure compréhension des propriétés de ces particules en termes de manipulation ou de processus.

 

  Diverses techniques de mesure de la taille des particules se basent sur le concept de mesure équivalente simple unidimensionnelle de sphères, ce qui est souvent totalement suffisant pour les applications essentielles.Cependant, mesurer la taille des particules en 2 dimensions ou plus peut parfois être souhaitable mais créer quelques défis de mesure importants et de tâches d’analyse des données. Il est donc conseillé d’envisager avec soin le choix de la technique de mesure de la taille des particules la plus adaptée aux besoins de votre application.

 

 

Distribution granulométrique

  Si l’échantillon à analyser en termes de caractéristiques n’est pas une répartition simple dans laquelle toutes les particules ont exactement la même dimension, l’échantillon aura une distribution statistique de particules de tailles différentes. Cette distribution est généralement représentée sous la forme d’un graphique de distribution de fréquence ou de distribution cumulative (undersize). 

Distribution pondérée
La distribution granulométrique peut être exprimée de manière différente selon la pondération des particules individuelles. La méthode de pondération dépend du principe de mesure utilisé.
Distribution pondérée par nombre
  Avec les techniques de comptage comme l’analyse d’image, la distribution pondérée par nombre est obtenue. Ici, chaque particule reçoit un poids égal, indépendamment de sa taille, et est la plus couramment utilisée lorsque la connaissance du nombre absolu de particules est importante (par exemple, la détection de particules étrangères) ou lorsqu’une (résolution particulaire) élevée est requise
requis.
En cas de suspension, lorsque certaines particules sont significativement inférieures aux autres.

Distribution pondérée par volume
  Avec les techniques de diffraction laser comme la diffusion statique de lumière, une distribution pondérée par volume est obtenue. Ici, chaque contribution des particules à la distribution est proportionnelle au volume de la particule (ou à sa masse, si la densité est uniforme), soit contribution relative proportionnelle au cube de la taille. Cette distribution est commercialement utile car elle représente la composition de l’échantillon en termes de volume/masse, et d’éventuels coûts potentiels.

Distribution pondérée par intensité
  Avec les techniques de diffusion dynamique de lumière, une distribution pondérée par intensité est enregistrée. Ici, la contribution de chaque particule à la distribution est liée à l’intensité de la lumière diffusée par cette particule.

  Par exemple, en utilisant l’approximation de Rayleigh pour les très petites particules, la contribution relative est proportionnelle à la puissance sixième de la taille. Il est important de savoir que lors de la comparaison des données granulométriques mesurées par des techniques différentes, les versions pondérées des distributions enregistrées peuvent entraîner des résultats granulométriques trèsdifférents.

   C’est démontré de manière illustrative en considérant un échantillon composé du même nombre de particules ayant un diamètre de 5nm et 50nm.

   La distribution pondérée par nombre met en avant la présence de particules plus fines de 5nm en assignant un poids égal aux deux types de particules, alors que la distribution pondérée par intensité montre un signalun million de fois plus important pour les plus grosses particules de 50nm. La distribution pondérée par volume se situe entre les deux.
 
Exemple de distribution de taille de particules pondérée par nombre, volume et intensité pour le même échantillon

   Il est également possible de convertir les données granulométriques d’une forme de distribution à une autre, mais cela requiert certaines hypothèses sur la morphologie des particules et leurs propriétés physiques. Par exemple, il ne faut pas s’attendre à ce que la distribution granulométrique pondérée par volume, mesurée par analyse d’image, corresponde exactement à celle obtenue par diffraction laser.
Statistiques de distribution
« Il y a trois types de mensonges dans ce monde : les mensonges, les gros mensonges et les statistiques. » – Twain, Disraeli 

   Pour simplifier l’interprétation des données de distribution granulométrique, divers paramètres statistiques peuvent être calculés et archivés. Le choix du paramètre statistique le plus approprié pour un échantillon donné dépend de la façon dont les données seront utilisées et de ce à quoi elles seront comparées. Par exemple, si nous voulons enregistrer la taille de particules la plus courante dans un échantillon, nous pouvons choisir l’un des co-dominateurs :

• Moyenne – Taille ‘moyenne’ de la population
• Médiane – Taille en dessous/au-dessus de laquelle se trouve 50% de la population
• Mode – Taille la plus fréquente

   Comme dans de nombreux échantillons, en présence d’une distribution asymétrique de la taille des particules, ces trois valeurs peuvent ne pas correspondre exactement, comme illustré ci-dessous :

Moyenne

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