CARACTERISATION du SOLIDE

CARACTERISATION du SOLIDE
(partie 0)
F. PUEL
Maître de Conférences
(04.72.43.18.34)
([email protected])
Laboratoire d’Automatique et de Génie des Procédés
LAGEP - UMR CNRS 5007 - UCB Lyon I – ESCPE
F. PUEL --------- 1
Caractérisation du SOLIDE DIVISE : Plan du cours
1.
2.
3.
4.
5.
Introduction : Intérêt - Bibliographie et Glossaire Français / Anglais
Notions Principales : Etat divisé – Etat Poreux
Forme d’une particule
Taille d’une particule
Echantillonnage : Objectifs – Difficultés Techniques – Règles d’Or –
Exemples – Masse minimale d’échantillonnage
6. Techniques d’Analyses Granulométriques
9 Microscopie et Analyse d’Images
9 Tamisage
9 Sédimentation
9 Compteur Coulter
9 Diffraction Laser
7. Variables associées à la réalisation de lits de particules
9 Porosités
9 Surface spécifique
8. Représentation de la distribution de particules
9. Calcul de tailles moyennes
10. Mesure de distribution de taille
F. PUEL --------- 2
1
Interêts de la granulométrie
• Quel est l’intérêt de faire de faire de la
caractérisation physique sur les produits
solides (purs pou formulés)
• Quelques exemples … frappants !!
F. PUEL --------- 3
INTRODUCTION :
• Que cherchez-vous ou que cherche votre client / votre
correspondant ?
une PROPRIETE d’USAGE?
un PROCEDE?
une PROPRIETE
PHYSIQUE?
F. PUEL --------- 4
2
INTRODUCTION :
• Que cherchez-vous ou que cherche votre client / votre
correspondant ?
UTILISATEUR
FABRICANT
ANALYSTE
F. PUEL --------- 5
Une propriété d’usage : Arôme des aliments
CAFÉ:
La granulométrie de la mouture
détermine le temps de séjour de l’eau
dans le filtre. L’extraction de l’arôme
dépend de ce temps d’écoulement de
l’eau. Une granulométrie trop fine et
l’eau ne s’écoule plus ou seulement
par les côtés. Une granulométrie trop
grosse et l’arôme ressemble à du jus
de chauss...
F. PUEL --------- 6
3
Une propriété d’usage: Digestibilité du lait
LAIT PLUS DIGESTE:
La taille des globules gras du lait est liée à leur digestibilité. Le lait homogénéisé
présente une matière grasse fractionnée et plus digeste. Dans le lait écrémé il ne reste
plus que des micelles de caséines (protéines).
%
20
100
Lait écrémé
(Micelles)
90
80
70
Lait homogénéisé
60
10
50
Lait entier
40
30
20
10
0
0
0.01
0.1
1.0
10.0
100.0
1000.0
Particle Diameter (µm.)
F. PUEL --------- 7
Une propriété d’usage : la biodisponibilité
Biodisponibilité d ’un principe actif
180
40µm
frequency q3*(x) / %
170
160
120.00
80µm
150
140
100.00
130
120
110
15µm
100
15µm
80.00
% dissous
90
80
70
60
40µm
60.00
80µm
40.00
50
40
20.00
30
20
10
0
0.2
0.00
0
0.4
0.6 0.8 1
2
4
6
8 10
20
40
60
80 100
200
400
Taille de particule / µm
Distribution granulométrique
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Temps (mn)
Test de dissolution
Tests de dissolution Ù Tests IN VIVO
F. PUEL --------- 8
4
Une propriété d’usage : la biodisponibilité
Biodisponibilité d ’un principe actif
120.00
100.00
% dissous
‹ Produit
formulé
15µm
80.00
40µm
60.00
80µm
100
20.00
0.00
0
10
20
30
40
50
Temps (mn)
60
70
80
90
% Dissolved
40.00
80
60
14 micron
40 micron
80 micron
40
20
• Matière
active
0
0
10
20
30
40
50
Temps (min)
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Une propriété d’usage : la biodisponibilité
Patient
Génération du P.A
small artery
capillaries in which
O2 and CO2
exchanges occur
caviry of alveolus
pharynx
trachea
larynx
small vein
cluster of alveoli
passageway to alveoli
lungs
%
100
20
90
AF = 45 %
80
70
60
50
10
40
30
20
10
0
0
1.0 10.0100.0
Particle Diameter (µm.)
passageway to
lungs
Formulation
Du P.A
diaphragm
Application
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5
Une propriété d’usage : la biodisponibilité
La granulométrie des gouttelettes est essentielle dans les thérapies par aérosols.
%
40
100
Asthme
(alvéoles pulmonaires)
Bronchite
(bronches)
90
80
30
70
60
20
50
O.R.L
40
30
10
20
10
0
0
0.1
1.0
10.0
100.0
Particle Diameter (µm.)
(d’après www.malvern.co.uk)
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Une propriété d’usage : Finesse des peintures en poudre
V o lu m e (% )
Particle Size Distribution
8
6
4
2
0
0.1
1
10
100
600
Particle Size (µm)
PPL 2211/99 PROBA ZA GORENJE-KAVNI MLIN, 01 Dec 1999 09:58:13
2.5 Bar, 01 Dec 1999 10:54:33
4-Bar, 01 Dec 1999 10:48:53
HOMOGENEITE DES FILMS DE PEINTURE:
La taille des peintures en poudre est liée à leur capacité à bien s’écouler quand
elles sont projetées à sec. L’aspect fini de la peinture est conditionné par la
régularité de la taille des particules de peintures. Trop grosse on distingue des
aspérités qui nuisent à l’aspect tendu du film.
F. PUEL --------- 12
6
Une propriété d’usage : Finesse des encres d’impression
¾ Matériau = pigment
¾ Taille moyenne visée ~ 200 nm=0,2 µm
¾ Procédé = particules dispersées en suspension (premix) puis broyage
de la suspension dans un broyeur à billes
¾ Question : va t on atteindre la spécification de taille ? Au bout de
combien de temps ?
(d’après P. Kippax, Malvern, 2005, Paints & Coatings industry)
F. PUEL --------- 13
Une propriété d’usage : Qualité du ciment
CIMENT:
Le passant à 8 microns est lié à la dureté du ciment à 28 jours
Blaine = % <8µmx100
F. PUEL --------- 14
7
Une propriété d’usage?
• L’activité d’un catalyseur
9plutôt une taille élémentaire
9autres techniques recommandées: MEB, MET,
BET, poro
9 un exemple: catalyseur dont la granulo est la
même avant et après usage...
F. PUEL --------- 15
Exemple de propriété d’usage recherchée:
Activité d’un catalyseur
• Surface active évolutive à cause de phénomènes de
cristallisation du catalyseur
à l’échelle du micron
Précipitation de
cristaux
Zoom
75µm
MEB
5µ
m
F. PUEL --------- 16
8
9à l’échelle du micron (suite):
ml/g
3
2.5
CATA NEUF
CATA USE
2
Catalyseur Catalyseur
neuf
usé
1.5
1
0.5
0
1000
100
10
1
0.1
0.01
0.001
Volume poreux
(ml/g)
Diamètre
médian des
pores (µm)
2.5
1.9
5
3
Diamètres (µm)
Porosimétrie au mercure
évolution de la texture poreuse
F. PUEL --------- 17
9à l’échelle du nanomètre:
CATA USE
CATA NEUF
Agglomération
du catalyseur
50nm
Microscopie Electronique à Transmission (MET) + (isotherme d’adsorption gazeuse)
F. PUEL --------- 18
9
Une propriété physique : taille du solide en
relation avec la Dose des médicaments
La granulométrie des particules représentée en volume est la représentation la
plus sensible pour contrôler la dose délivrée dans chaque comprimé.
Un seul grain 10 fois plus gros que
la valeur moyenne de la distribution
contient une dose 1000 fois
supérieure la celle définie par la
valeur moyenne des grains
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Une propriété d’usage et de procédé :
Stabilité des émulsions
Emulsion très stable et monodisperse
Emulsion présentant une forte instabilité
CAUSES D’INSTABILITE:
Une distribution monodisperse est une bonne garantie de stabilité.
Par contre la présence d’un deuxième pic vers 10 microns est une réelle source
d’instabilité. Ces grosses gouttelettes vont migrer vers la surface dans un phénomène
de crémage et provoquer la coalescence accélérée des plus fines.
F. PUEL --------- 20
10
Une propriété pour le Procédé : Amélioration d’un ensemble
cristallisation / filtration
Faciès des solides obtenus
Augmentation
de l’épaisseur
Cristallisation
ensemencée
Cristallisation
non ensemencée
(Microscope Electronique à Balayage)
F. PUEL --------- 21
Exemple Procédé : Amélioration d’un ensemble cristallisation
/ filtration
Cristallisation
non ensemencée
Cristallisation ensemencée
Evolution de la résistance hydraulique de la précouche
d’essorage pendant les batchs successifs d’essorage
1
3
5
7
9
11
13
15
17
Numéro du cycle d'essorage
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11
Caractérisation du solide divisé : Bibliographie (2/2)
Granulométrie : ECHANTILLONNAGE
1.
T. Allen « Particle Size Measurement », Third Edition, Volumes 1 et 2,
Powder Technology Series, 1997
2.
T. Allen « Etude de structure Granulométrie », Techniques de
l’ingénieur P1040, volume P2
3.
P. GY « Echantillonnage » Techniques de l’ingénieur P1040, volume
P2
4.
Norme Française NFX 11-632 « Expression des résultats
expérimentaux d’analyse granulométrique
5.
Norme Française NFX 11-636 « Représentation des distributions
granulométriques – Partie 1 Modèles de référence»
Granulométrie par TAMISAGE :
1.
Norme internationale NF ISO2591-1 « Tamisage de contrôle : Modes
opératoires utilisant des tamis de contrôle en tissus métalliques et en
toles métalliques perforées »
2.
Norme Française NFX 11-636 « Représentation des distributions
granulométriques – Partie 2 Ajustement d’une courbe cumulative
expérimentale à un modèle de référence –Cas du tamisage »
F. PUEL --------- 23
Caractérisation du solide divisé : Bibliographie (2/2)
Granulométrie : MICROSCOPIE OPTIQUE / ANALYSE d’IMAGES :
1.
Norme Française NFX11-660 « Analyse granulométrique par
microscopie optique : Généralités sur le microscope »
2.
Norme Française NFX11-661 « Détermination de la taille des
particules d’une poudre : Méthode par microscopie optique »
3.
Norme Française NFX11-696 « Granulométrie par analyse d‘images»
Granulométrie : DIFFRACTION LASER
1.
Norme NFX11-666 « Analyse granulométrique des poudres : méthode
par diffraction »
Caractérisation de surface solide :
1.
J. CHARPIN et B. RASNEUR « Caractérisation de la texture poreuse
des matériaux» Techniques de l’ingénieur P1050, volume P2
Caractérisation par diffraction X :
•
N. BROLL « Caractérisation de solides cristallisés par diffraction X »
Techniques de l’ingénieur P1080, volume P2
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12
Caractérisation du solide divisé : Glossaire Français/Anglais
Analyse en ligne
Analyse in situ
Autocontrôle en fabrication
Coefficient de variation
Coulabilité
Diamètre sphérique
Diffusion de lumière
Diffraction laser
Diffraction aux rayons X
Distribution en Taille de Particules
Diviseur
Echantillonnage – Echantillon
Faciès- Forme externe des particules
Facteur de forme
Grandissement
Granulométrie
Microscopie
Microscopie Electronique à Balayage (MEB)
Microscopie Electronique à transmission (MET)
Morphologie
Porosimétrie Hg
Surface développée
Etat de surface
Taille
Taille moyenne
Tamisage – Tamis
On line analysis In line Analysis
In situ analysis
In Process Control (IPC)
Span
Flowability
Spherical diameter
Light Scattering
Laser Diffraction
X Ray Diffraction
Particles size distribution
Riffle
Sampling - Sample
Habit – Particle Shape
Shape factor
Magnification
Particle Size measurement
Microscopy
Scanning Electronic Microscopy (SEM)
Transmission Electronic Microscopy (TEM)
Morphology
Hg Porosimetry
Area
Surface aspect
Size
Mean size – Average Size
Sieving - Sieve
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13