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 Voir aussi...Les granulomètres à diffraction Laser (Microtrac) ou le site de Microtrac, la diffusion laser ou encore la granulométrie pour aérosols, le Microtamisage ou pour la Sédimentation | |||||||||||||||
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Notes d'applications | |||||||||||||||
| 10- Une nouvelle méthode pour caractériser la stabilité et la performance des émulsions et Suspensions Cosmétiques(avr. 01 - en Anglais)PDF | |||||||||||||||
| 9- Influence de la Composition chimique sur les propriétés Acoustiques des Liquides Homogènes (Mar. 01 - en Anglais) PDF | |||||||||||||||
| 8- Granulométrie et Micro-Rhéologie des dispersions concentrées, structurées (Sep. 00 - en Anglais) PDF | |||||||||||||||
| 7- Titration de surfactant dans les suspensions de Kaolin avec sonde de potentiel Zêta (Jui. 00 - en Anglais) PDF | |||||||||||||||
| 6- Caractérisation des mélanges dispersés par Spectroscopie Acoustique (Déc. 99 - en Anglais) PDF | |||||||||||||||
| 5- Phénomènes électroacoustiques dans les dispersions concentrées (Nov. 99 - en Anglais) PDF | |||||||||||||||
| 4- Acoustique et électroacoustique pour émulsions (Jun. 99 - en Anglais) PDF | |||||||||||||||
| 3- Acoustique et électroacoustique pour Céramiques (Mar. 99 - en Anglais)PDF | |||||||||||||||
| 2- Électroacoustique dans les Dispersions Concentrées(Jan. 99 - en Anglais) PDF | |||||||||||||||
| 1- Caractérisation des Matériaux de Polissage Chimique par Spectroscopie Acoustique(Déc. 98 - en Anglais) PDF | |||||||||||||||
Applications | |||||||||||||||
| Caractérisation de la Stabilité | |||||||||||||||
 Caractériser la stabilité des systèmes concentrés est l'un des défis majeurs pour la science des colloïdes. Un changement dans la composition chimique du système peut conduire à une agglomération, qui modifie la granulométrie qui est souvent critique dans bien des projets industriels ou scientifiques. On l'associe souvent avec une chute du potentiel zêta des particules.En effet la répulsion électrostatique est un des phénomène qui empêche l'agrégation. C'est pourquoi il est si important de suivre l'évolution du potentiel zêta. | |||||||||||||||
| Afin de faire changer la charge de surface, on procède à une titration acide/base. On voit ici une courbe de titration du potentiel zêta pour une suspension concentrée de rutile (7% en volume). On voit que le point isoélectrique est à pH=4. En donc, on devrait en principe observer les plus gros agglomérats aux environs de pH=4. Observons l'évolution de la granulométrie mesurée simultanément... | |||||||||||||||
 Le diamètre médian pour le rutile stable à pH=8,9 est d'environ 0,3 microns. On observe un résultat similaire sur un appareil de mesure par sédimentation . La granulométrie devient bimodale lorsque le pH croît puisque des agrégats apparaissent. Il est intéressant de noter que la technique acoustique et électroacoustique démontrent une seconde zone d'instabilité à pH élevé à environ pH=12. Cela est sans doute dû à une force ionique plus élevée. Ici la méthode électroacoustique seule aurait été insuffisante car le potentiel Zêta ne chute que d'environ 10 mV. Ceci montre l'intérêt à combiner les mesures acoustiques et électroacoustiques . La première zone d'instabilité apparaît vers pH=4 à cause de la neutralisation des charges de surface, alors que le seconde proche de pH=12 est liée à la suppression de la double couche par accroissement de la charge ionique et probablement par des changements dans la structure de la double couche. | |||||||||||||||
| Caractérisation des mélanges | |||||||||||||||
 Un Système contenant 2 phases (ou plus) dispersées différant chimiquement est un "mélange" que la spectroscopie acoustique va pouvoir caractériser . Ceci grâce à la nouvelle théorie acoustique qui n'utilise pas l'hypothèse de superposition.Vérifions-le sur de l'alumine (5% en volume) et de la zircone mesurée séparément puis mélangées dans un rapport 1 pour 1. On voit sur les données expérimentales et sur le spectre d'atténuation théorique le plus proche que les 3 spectres sont différents et que la théorie colle bien aux résultats expérimentaux. | |||||||||||||||
 On voit ici la granulométrie correspondant. On voit bien que la granulométrie reconstruite de chaque composant dans le mélange est bien celle des composants pris indépendamment (la hauteur des modes étant différente puisque chaque composant ne participe que pour 50%).Afin de résoudre les deux modes, on les a supposés de largeur identique d'où une légère différence sur la largeur. Afin de lever cette difficulté on préférera une distribution lognormale modifiée à une distribution lognormale simple (voir la section 'granulométrie' de la théorie). | |||||||||||||||
| Peintures, rutile, mica | |||||||||||||||
 Selon la taille des grains, on distingue différents types de pigments. Les peintures avec des dispersions très étendues allant de quelques nanomètres à plusieurs microns sont les plus répandues. Ainsi la peinture blanche est-elle le plus souvent composée de rutile ou de latex et on a pu démontrer la très bonne performance des spectroscopies acoustiques et électroacoustiques sur différents types de pigments organiques, ainsi qu'une bonne corrélation avec d'autres techniques. La caractérisation de ces systèmes est rendue plus complexe par l'ajout d'additifs de plus en plus nombreux. On gardera à l'esprit que cela change les propriétés acoustiques du milieu. | |||||||||||||||
 On trouvera ici les spectres d'atténuation de 2 pigments et des milieux correspondants: l'atténuation sur les milieux est supérieure à celle observée dans l'eau, à cause des polymères et micelles dans la solutionSi on avait calculé la granulométrie avec les paramètres d'atténuation de l'eau on aurait trouvé des granulométries plusieurs fois supérieures à la réalité alors qu'avec les paramètres mesurés du milieu réel on obtient des résultats identiques à ceux obtenus par d'autres techniques. Il faut donc prendre soin de mesurer l'atténuation du milieu. | |||||||||||||||
| Une autre catégorie de peintures est faite à base de mica, qui est sous forme de fines plaquettes circulaires. Elles réfléchissent et polarisent fortement la lumière et créent des effets particuliers. Ce facteur de forme bloque toute tentative d'interprétation, par contre, en pratique on peut utiliser le spectre d'atténuation pour suivre les changements de la granulométrie et du facteur de forme. L'échantillon 1 est du mica avec un diamètre médian de 21 microns. L'échantillon 2 est le même mais couvert de fines particules d'hématite. L'échantillon 3 est un mica plus large (68 microns) recouvert d'hématite. L'échantillon 4 est semblable à 2 mais avec moins d'hématite. L'échantillon 5 est fait de fines particules particules de mica (6 microns) couvertes de rutile. | |||||||||||||||
| Polissage chimique | |||||||||||||||
| Nous avons fait beaucoup de mesures avec les dispersions pour le polissage chimique sur des bases alumine ou silice, qui, en général, contiennent plusieurs pour-cent en volume de la phase dispersée. La granulométrie va de 50 nanomètres à plusieurs centaines de nanomètres. Les résultats en acoustique et électroacoustique sont excellents! | |||||||||||||||
| Céramiques, zircones, titanate de baryum , alumines, silices,... | |||||||||||||||
| C'est un domaine de prédilection pour la spectroscopie acoustique. La densité est en général assez élevée et donc les pertes visqueuses et de diffusion sont dominantes: les théories sont bien connues et les résultats très convainquants! elles s'appliquent aussi très bien aux mélanges. Regardons ici les systèmes simples. | |||||||||||||||
 Voici les spectres d'atténuation et les granulométries pour 4 alumines Sumitomo. Les spectres calculés à partir de la granulométrie (connue par ailleurs) corrèlent très bien avec les mesures expérimentales. Ceci confirme notre confiance dans la modélisation. Parallèlement, les granulométries calculées correspondent aux données du fabricant. Et, ceci, insistons bien, pour des fractions massiques aussi importantes que 17 ou même 30% ! | |||||||||||||||
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 La spectroscopie acoustique convient remarquablement à de nombreux autres produits céramiques. Ainsi qu'on peut le voir pour les spectres de ces échantillons de titanate de baryum, SiN, silicium, gel de silice geltech et zircone. Les granulométries correspondantes concordent parfaitement avec les spécifications fournies par les fabricants. Ainsi, pour la zircone TZ-3YS, fabriquée par Toso Corp., d'une granulométrie attendue de 0,3 micron, on trouve 0,26 micron en spectroscopie acoustique; de même pour SiN où l'on observe 1,1 microns pour une poudre spécifiée à 1 micron. | |||||||||||||||
 On appréciera aussi que la spectroscopie acoustique est indépendante des propriétés électriques. Ainsi on pourra caractériser des particules conductrices de silicium (alors que l'on ne pourra pas utiliser la spectroscopie électroacoustique). | |||||||||||||||
| Revêtements | |||||||||||||||
 On pourra utiliser efficacement la spectroscopie acoustique directement dans une solution préparée vue de faire un revêtement même si celle-ci est chimiquement agressive. Ainsi, sur un bain pour revêtement nickel de haute conductivité avec une forte acidité, la technique électroacoustique ne fonctionnera pas alors que le spectroscopie acoustique permettra l'analyse même à des concentrations élevées. On voit ici des résultats d'alumine Sumitomo (13% en poids) AKP-30 dans un bain de plaquage Nickel. | |||||||||||||||
 Ce système est instable, les particules s'agrègent et la distribution devient bimodale. On s'en convainc en constatant qu'un spectre calculé à partir d'une distribution théorique lognormale bimodale corrèle beaucoup mieux qu'une distribution monomodale (erreur quadratique de 5,5% et 16 % respectivement).Il est intéressant de noter que même dans ces conditions extrêmes le mode primaire mesuré est de 0,28 microns pour des particules données pour 0,3 microns par son fabricant. Environ 70% de l'alumine coagule dans la solution donnant des agglomérats d'environ 2 microns. | |||||||||||||||
| Ciment | |||||||||||||||
 Les mesures acoustiques sont particulièrement utiles pour comprendre et contrôler la prise. Ici on voit une gâche de ciment à 20 % en poids de ciment gris sur une période de 2 heures. Le spectre d'atténuation montre l'évolution de la granulométrie durant cette période.Regardons le premier et le dernier spectre en détail: on constate bien l'évolution attendue pour ce système à savoir une granulométrie initiale de quelques microns, la dissolution des particules les plus grosses qui recristallisent ensuite sous la forme de particules d'environ 100 nm. | |||||||||||||||
 Bien que les spectres initial et final montrent une atténuation accentuée a haute fréquence, l'interprétation en est différente. La perte d'atténuation à basse fréquence est due à la diminution du nombre de grosses particules alors que la perte initiale due à la diffusion à haute fréquence par ces grosses particules est simplement remplacée par les pertes visqueuses dues aux fines nouvellement crées. Ici la notion même de granulométrie devient imprécise et cela devient encore plus discutable dans une suspension à 50 % ... | |||||||||||||||
 On utilise volontiers la spectroscopie acoustique pour obtenir une granulométrie, et le spectre d'atténuation lui même est très riche en informations et constitue un outil très sensible pour observer dans un colloïde les changements occasionnés par l'ajout de surfactant ou autre produit chimique. En effet, le spectre lui même est très dépendant du système il n'est pas nécessaire d'utiliser un modèle ou des hypothèses pour observer l'évolution du spectre. Par exemple ici où l'on change la fraction volumique d'un ciment gris. | |||||||||||||||
| Nano-particules | |||||||||||||||
La caractérisation de nanoparticules est un défi intéressant car l'atténuation de ces particules est comparable à celle de l'eau. On peut toutefois mesurer des systèmes avec des particules de taille inférieure à 100 nm. Par exemple: 1. Les particules les plus petites que nous ayons mesuré sont de l'anataze à 12 nm (10% volume). 2. La Silice Ludox avec ses particules à 30 nanomètres est notre colloïde de calibration pour la spectrométrie électroacoustique. La granulométrie mesurée par spectroscopie acoustique est : 30 ± 3 nanomètres même à 40% (en volume). 3. De même nous avons mesuré des suspensions pour le polissage chimique (voir plus haut). Caractérisation du potentiel zêta des nanoparticules est plus simple que pour des particules micrométriques. Il n'est pas besoin de faire une correction granulométrique. Le spectromètre électroacoustique mesure la mobilité électrophorétique selon Smoluchowski. | |||||||||||||||
| Agro-alimentaire | |||||||||||||||
 Comme il est possible de mesurer des systèmes ayant un faible contraste de densité, la spectroscopie acoustique s'applique idéalement aux produits agro-alimentaires. Le mécanisme de pertes thermiques permet de caractériser avec précision les émulsions et dispersions où la densité d'une phase est proche de celle de l'autre. Si l'on connaît les propriétés thermodynamiques de chaque phase on peut facilement remonter à la granulométrie.Là aussi la simple observation du spectre d'atténuation permet une surveillance valable du produit. Ici on observe des types de lait qui différent par leur contenu en matière grasse. | |||||||||||||||
 Dans cet exemple on mesure le spectre d'atténuation de la béta-carotine (12 % volume) et lu-carotine. On les a mesuré 2 fois pour démontrer la répétabilité. La différence entre ces systèmes est due à la différence de granulométrie. La granulométrie est calculée à partir de ces spectres et l'on voit que la béta carotine est plus fine, en accord parfait avec des mesures de contrôle faites en Granulométrie laser sur un système dilué. | |||||||||||||||
| Émulsions et Microémulsions | |||||||||||||||
 Microémulsions sont des mélanges eau-huile avec éventuellement des surfactants. On peut le plus souvent modéliser les conditions thermodynamiques de ces systèmes en les considérant comme des gouttelettes d'eau dans l'huile (ou vice-versa) dont la taille est nanométrique. L'avantage est ici que l'on peut mesurer directement sans avoir à diluer (ce qui bien évidemment est de nature à modifier la taille des nodules. On préféra toujours le mesure acoustique directe dans l'émulsion même concentrée à la dilution (ce qu'on devrait faire avec un instrument de corrélation de photon) De même on évitera la méthode électroacoustique à cause de la taille et du faible contraste de densité. | |||||||||||||||
 On voit ici 2 microémulsions de silicium dont la composition chimique est différente : elles contiennent 30% (en poids) d'huile mais une quantité différente de surfactant. On s'attend donc à des tailles de nodules différentes de l'ordre de 10 et 20 nanomètres. | |||||||||||||||
 On a mesuré chaque microémulsion 3 fois pour démontrer la répétabilité. Il existe bien une différence entre ces émulsions et lorsque l'on calcule les granulométrie correspondant on trouve 9 et 17 nanomètres !De la même façon la spectroscopie acoustique est tout à fait adaptée aux émulsions eau dans l'huile... Comme cette émulsion de 10% eau dans l'huile avec différents degrés d'ultrasonication dont on observe bien l'effet sur la granulométrie. | |||||||||||||||
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| Latex | |||||||||||||||
 Comme les propriétés thermodynamiques des latex sont connues, on peut résoudre l'information que nous fournit la spectroscopie acoustique. Ainsi dans l'une des sections ci dessus on a utilisé un latex Néoprène qui nous a permis de vérifier la validité de la théorie des pertes thermiques.De nombreux exemples de latex (polystyrène, vinylacétate, Néoprène,...) ont ainsi pu être traité avec succès. | |||||||||||||||
 La spectroscopie acoustique donne des résultats très consistants avec les autres techniques. Ici , par exemple, on mesure un Latex DOW Standard et on obtient de très bons résultats. | |||||||||||||||
 La méthode acoustique peut fournir des résultats très enrichissants même lorsque les propriétés thermodynamiques ne sont pas connues. On procède à l'inverse avec un latex de granulométrie connue et le logiciel va déterminer les propriétés thermodynamiques requises. Ensuite on peut utiliser ces propriétés pour d'autres latex de même nature! Ici 4 latex de même composition chimique mais de taille différente. | |||||||||||||||
 Voici 4 latex dont la taille est certifiée par microscopie à balayage électronique. On utilise l'une d'elle pour remonter aux propriétés thermodynamiques. Ensuite on vérifie cette méthodologie en mesurant la taille des trois autres et l'on obtient bel et bien une granulométrie semblable à celle attendue.Parfois il est intéressant de préparer un jeu de dilution comme on le voit sur la figure suivante. | |||||||||||||||
 Les propriétés thermodynamiques dépendent de la composition chimique. On a pu l'observer sur de copolymères éthylène-vinylacétate ayant une proportion différente d'éthylène. Des variations relativement faibles d'éthylène peuvent créer une variation importante des spectres d'atténuation. Ces variations reflètent le changement du coefficient d'expansion des particules de latex. Pour s'en convaincre on a mesuré 3 latex de granulométrie identique (vérifiée au microscope à balayage). Ces trois latex avaient différentes structures (cross linking). Les spectres d'atténuation montrent des différences très prononcées pour des fractions volumiques différentes. | |||||||||||||||
 Pour les latex, on peut aussi utiliser la spectroscopie électroacoustique pour le potentiel zêta. En effet même si le constate de densité est faible, le signal reste élevé ce qui permet une mesure fiable du point isoélectrique. Bien sûr, l'interprétation théorique et l'évaluation de la valeur absolue du potentiel zêta restent un sujet de recherche passionnant... | |||||||||||||||
| Charbon | |||||||||||||||
| On lira avec intérêt la référence[13] de notre bibliographie... | |||||||||||||||
| Cosmétiques | |||||||||||||||
| Voir (plus haut) nos notes d'application à ce sujet. | |||||||||||||||
| Matériaux pour la photographie et plaques argentiques | |||||||||||||||
| Nos clients Kodak, Agfa, Fuji sont la meilleure preuve de l'intérêt de nos techniques. | |||||||||||||||
| Systèmes Non-aqueux | |||||||||||||||
| Il est particulièrement intéressant de noter que nos techniques s'appliquent remarquablement bien aux systèmes non-aqueux comme par exemple la silice dans l'éthanol ou le méthanol!... | |||||||||||||||
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