Qu’est-ce que la dispersion ? Développement de méthodes pour l’optimisation de la dispersion humide – Partie 1

Développement de méthodes pour la dispersion humide dans la mesure de la taille des particules par diffraction laser

La capacité d’obtenir des résultats reproductibles à partir d’une technique de caractérisation des particules est déterminée par trois facteurs : 

• Échantillonnage représentatif
• État stable de dispersion
• Conditions de mesure appropriées

L’importance de chacun de ces facteurs change selon la taille des particules mesurées. Pour les fines particules, les dispersants et l’énergie de dispersion sont plus cruciaux, tandis que pour les matériaux grossiers, l’échantillonnage est plus significatif.

Figure 1 montre les facteurs de risque associés à la mesure de particules fines ou grossières en dispersion humide.

Dispersion 

La méthode de dispersion des échantillons varie selon ce qui est mesuré. Si la quantification de la taille et de l’étendue des agglomérats dans un échantillon est vitale, il peut être nécessaire de mesurer dans des conditions partiellement dispersées. Si la taille des particules primaires est essentielle, l’échantillon doit être complètement dispersé pour briser les agglomérats. 

La dispersion commence par le choix d’un dispersant approprié. Un dispersant pour la diffraction laser doit répondre aux critères suivants : 

• Maintient une bonne mouillabilité de l’échantillon pour permettre la dispersion 
• Ne dissout pas l’échantillon 
• Ne contient pas de bulles 
• A une viscosité appropriée 
• Laisse passer la lumière laser 
• A un indice de réfraction différent de celui de l’échantillon 
• Est chimiquement compatible avec le matériau utilisé dans l’équipement 

L’eau est le dispersant le plus largement utilisé. Cependant, l’eau peut ne pas être appropriée pour tous les échantillons car elle peut ne pas mouiller ou dissoudre suffisamment l’échantillon. 

D’après une règle commune, on peut minimiser la solubilité de l’échantillon dans le dispersant en utilisant un dispersant de polarité opposée. Cependant, les particules doivent être mouillées, ce qui peut être plus difficile sans l’aide d’un surfactant si la différence de polarité est significative.

Une liste de dispersants classés de haute à basse polarité est présentée dans le Tableau 1. 

Dispersion de poudres dans les liquides

Il y a trois étapes de base dans la dispersion de poudres dans un liquide : 

• Mouillage de l’échantillon
• Ajout d’énergie pour une dispersion complète
• Stabilisation de la dispersion

Mouillage de l’échantillon 

Lors du test d’un nouveau matériau, il est conseillé d’effectuer des tests en bécher avec différents dispersants pour vérifier si l’échantillon est bien mouillé. Ces tests visuels sont plus rapides que de réaliser des mesures de taille de particules avec différents dispersants. Si le mouillage entre la particule et le dispersant est bon, on peut confirmer une suspension homogène dans le liquide, tandis qu’un mauvais mouillage peut montrer des gouttelettes visibles de liquide sur la surface de la poudre ou entraîner une agglomération et une sédimentation notables. 

Le degré auquel une poudre est mouillée par un dispersant est régi par la tension de surface entre les particules et le liquide. Ainsi, utiliser un surfactant pour réduire la tension de surface améliore souvent le mouillage. Tableau 2 montre des exemples de surfactants stériques et électrostériques qui améliorent la dispersion.

Lors de l’utilisation de surfactants, l’ajustement de la concentration est crucial. Généralement, une goutte ou deux de solution de surfactant (à quelques pourcents p/v, non hautement concentrée) amélioreront le mouillage. Utiliser trop de surfactant peut créer des bulles ou des gouttelettes, pouvant être interprétées à tort comme de grosses particules.  

Utilisation de l’énergie pour disperser l’échantillon

Après avoir trouvé un dispersant approprié pour mouiller l’échantillon, il est nécessaire d’évaluer l’état de dispersion de l’échantillon avec l’équipement. Cette procédure, appelée titration de dispersion, comprend généralement trois étapes : 

1. Une série de mesures répétées pour évaluer l’effet de la titration de l’échantillon
2. Une série de mesures pour évaluer l’effet des ultrasons sur l’échantillon
3. Une série de mesures répétées pour évaluer la stabilité des mesures après les ultrasons

Figure 2 montre un exemple de titration de dispersion dans l’eau. L’étape 1 montre une dispersion progressive en fonction de la vitesse d’agitation, l’étape 2 illustre une dispersion accélérée lorsque les ultrasons sont utilisés, et l’étape 3 montre une taille de particule stable après l’arrêt des ultrasons. 

La titration de dispersion montre l’évolution de la distribution de taille à mesure que les agglomérats se dispersent, comme illustré dans la Figure 3. À mesure que l’échantillon se disperse, l’obscuration (liée à la concentration en particules dans le système) augmente car chaque agglomérat se décompose en plusieurs particules primaires comme montré dans la Figure 4. 

Pour les mesures dans les solvants organiques, les ultrasons doivent être appliqués de manière incrémentale, par exemple en les appliquant pendant une minute avant les mesures, puis en laissant un peu de temps pour stabiliser la température du dispersant. 

Si non, les gradients de température dans le dispersant pourraient causer des pics erronés à de grandes tailles de particules. Ce processus doit être répété jusqu’à ce qu’aucune augmentation de taille due aux ultrasons ne soit observée. 

La titration de dispersion permet de mesurer la puissance ultrasonore et le temps requis pour disperser un échantillon jusqu’à sa taille de particule primaire. Si la titration de dispersion globale est uniforme et qu’aucune autre réduction de taille de particule n’est observée pendant l’ultrasonication, il est possible que l’échantillon soit déjà complètement dispersé sans l’utilisation des ultrasons. 

À l’inverse, si une diminution persistante de taille de particule est observée, de sorte qu’une taille de particule stable sans ultrasons n’est pas atteinte, les particules primaires peuvent se désintégrer en raison de l’ultrasonication. 

Si possible, vérifiez l’état de l’échantillon dispersé en l’extrayant du distributeur et en l’examinant au microscope ou à l’aide d’un équipement d’analyse d’image statique automatisé. Les observations avant et après l’ultrasonication peuvent révéler si les agglomérats sont dispersés ou si les particules ont changé de forme en raison de la rupture. 

Stabilisation de la dispersion 

Dans la troisième étape, la taille des particules doit rester stable. L’attente de répétabilité dans les mesures de diffraction laser est abordée dans la section sur la précision des mesures. Si la taille des particules commence à augmenter en raison d’une ré-agglomération, des additifs peuvent être nécessaires pour stabiliser la dispersion. 

Des additifs comme l’hexamétaphosphate de sodium, le citrate d’ammonium et le pyrophosphate de sodium peuvent aider à stabiliser la suspension en ajoutant une charge aux surfaces des particules. Typiquement, les additifs sont utilisés à des concentrations inférieures à 1% p/v.

Dispersion d’émulsion

Deux facteurs clés aident souvent à la dispersion des émulsions. 

Premièrement, le dispersant idéal inclut le même surfactant et stabilisateur utilisés dans la dispersion de l’échantillon. 

Deuxièmement, une pré-dispersion peut être nécessaire pour assurer une dispersion stable, car ajouter des échantillons directement à un réservoir pourrait provoquer une coagulation en raison du choc de dissolution. 

Les ultrasons doivent être évités dans les émulsions car ils pourraient renforcer l’émulsification et réduire la représentativité des résultats des échantillons. 

 De plus, contrôler la vitesse d’agitation dans l’appareil de dispersion est crucial car une vitesse d’agitation excessive pourrait casser les gouttelettes. L’effet de la vitesse d’agitation est abordé dans la section sur les conditions de mesure.  

Échantillonnage

Pour toutes les techniques de caractérisation des particules, il est essentiel que l’échantillon introduit dans l’instrument soit représentatif du matériau en vrac. Pour les matériaux grossiers ou les échantillons avec une large distribution de taille de particules, l’échantillonnage peut être la plus grande source d’erreur de mesure.

Pour obtenir des résultats représentatifs, un nombre suffisant de particules doit être mesuré. Par exemple, plus de 400 particules doivent être mesurées pour déterminer le Dv90 avec une erreur standard de moins de 5%.

Pour un matériau avec un Dv90 de 500 µm, environ 0,5 g d’échantillon est nécessaire pour atteindre ce niveau de précision. À mesure que la taille des particules augmente, une masse d’échantillon plus importante est nécessaire pour s’assurer qu’un nombre suffisant de particules soient incluses dans la mesure. Par conséquent, la masse minimale d’échantillon requise pour obtenir des résultats reproductibles augmente également.

Figure 5 montre la masse minimale d’échantillon requise pour atteindre une erreur standard de 5% en fonction de la taille des particules. Mesurer plusieurs sous-échantillons et évaluer la variabilité des résultats peut aider à déterminer si la masse d’échantillon et la procédure d’échantillonnage sont adéquates pour fournir des mesures représentatives.

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