Compactage et vieillissement des poudres : influence de la formulation

Compacting and aging of powders : influence of the formulation

• Auteur / Autrice : Shirin Enferad
• Direction : Mathieu Jenny, Claire Gaiani
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergie et mécanique
• Date : Soutenance le 17/12/2020
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIMPPé - Sciences et ingénierie des molécules, des produits, des procédés, et de l'énergie (Lorraine)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'énergétique et de mécanique théorique et appliquée (Nancy) - Laboratoire d'ingénierie des biomolécules (Vandoeuvre-les-Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Blaise Nsom
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mathieu Jenny, Claire Gaiani, Christelle Turchiuli, Sergiy Antonyuk, Geoffroy Lumay
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Blaise Nsom, Christelle Turchiuli

Mots clés

Mots clés contrôlés

Granulométrie

Humidité

Additifs

Rhéologie

Solides en vrac -- Écoulement

Poudres

Mots clés libres

Coulabilité

Rhéologie vibratoire

Billes de verre

Lactose aggloméré

Formulation de surface

Contrôle de l'humidité

Taille différente

Flowability

Vibrational rheology

Glass bead

Agglomerated lactose

Surface formulation

Humid control

Different size

Résumé

Cette étude est menée dans le cadre du projet "PowderReg", financé par le programme européen Interreg VA GR dans le cadre de l'axe prioritaire 4 "Renforcer la compétitivité et l'attractivité de la Grande Région / Groβregion". La compréhension du lien entre l'organisation microscopique et le comportement de l'écoulement des poudres est une avancée majeure dans l'établissement de critères pour optimiser leurs propriétés de transport, de stockage et de traitement. Ainsi, une meilleure compréhension du comportement de l'écoulement des poudres évite aux industries d'énormes pertes économiques. Il est donc essentiel d'évaluer leur aptitude à l'écoulement. Ce travail consiste à étudier expérimentalement l'influence de la formulation des poudres, de la taille des particules, ainsi que l'influence des conditions environnementales telles que l'humidité sur les comportements d'écoulement des poudres. Cinq types de formulations ont été analysés: la bille de verre témoin a été utilisée comme poudre de référence et trois types de formulations de surface consistant en un enrobage hydrophile, hydrophobe et de lactose ainsi qu'une poudre de lactose agglomérée ont été préparés. Tout d'abord, l'influence de deux tailles différentes, 100 et 500 µm, sur le comportement d'écoulement des poudres a été analysée. Ensuite, le comportement de l'écoulement des poudres a été étudié avec différents équipements expérimentaux: FT4, Granutools et rhéomètre Discover HR3. Y compris différentes techniques, telles que la cellule de cisaillement, la compressibilité, l'angle de rotation du repos, etc. L'objectif était de déterminer le comportement des poudres dans différentes conditions de traitement. Les résultats ont montré que le passage d'une technique à l'autre peut modifier la classification de la fluidité des poudres. Comme les poudres subissaient des contraintes mécaniques différentes. Dans la dernière partie de cette thèse, nous avons observé l'influence impressionnante de l'humidité après 80 % sur le comportement d'écoulement de deux tailles différentes de billes de verre de contrôle (40 et 100 µm). Les perles de verre de petit diamètre ont montré une fluidité plus faible qui est due au plus grand nombre de contacts de surface de ces particules. De plus, la comparaison du comportement d'écoulement des billes de verre de contrôle et hydrophobes de taille 100 µm à un taux de cisaillement élevé a révélé la même fluidité pour les deux échantillons. Alors qu'à faible taux de cisaillement, les mesures par rhéologie vibratoire ont révélé une fluidité plus élevée dans les billes de verre de contrôle. La fluidité de la perle de verre témoin a diminué de façon spectaculaire après 80 % de contrôle de l'humidité, mais la perle de verre hydrophobe a conservé son comportement d'écoulement comme auparavant avec une très faible sensibilité à l'humidité. Enfin, l'influence de l'ajout d'une petite quantité d'eau sur le comportement d'écoulement de la bille de verre de contrôle a été étudiée.

This study is conducted in the framework of the “PowderReg” project, funded by the European program Interreg VA GR within the priority axis 4 “Strengthen the competitiveness and the attractiveness of the Grande Région Groβregion”. Understanding the link between microscopic organization and powders flow behavior is a major step forward in establishing criteria for optimizing their transport, storage and processing properties. Whereby, better understating of powder flow behavior saves the industries from huge economic loss. Therefore, it is essential to evaluate their flowability. This work consists in experimentally studying the influence of powder formulation, particle size, as well as influence of environmental condition such as humidity on flow behaviors of powders. Five types of formulations have been analyzed: control glass bead has been used as reference powder and three types of surface formulations consisting of hydrophilic, hydrophobic and lactose coating as well as agglomerated lactose powder have been prepared. First, influence of two different sizes 100 and 500 µm on flow behavior of powders has been analyzed. Then, the powders flow behavior has been considered with different experimental equipements: FT4, Granutools and Rheometer Discover HR3. Including different techniques, such as shear cell, compressibility, rotating angle of repose, etc. The objective was to figure out the behavior of powders under different processing conditions. The, results reported that the transition from one technique to another can modify the classification of the powder flowability. Since the powders were experiencing different mechanical stresses. At the last part of this thesis, we observed the impressive influence of humidity after 80 % on flow behavior of two different size of control glass beads (40 and 100 µm). Small diameter glass bead showed lower flowability which is due to the more surface contacts of these particles. Furthermore, the comparison of flow behavior of control and hydrophobic glass beads with 100 µm size at high shear rate reported the same flowability for both samples. While at low shear rate measurements by vibrational rheology revealed higher flowability in control glass bead. The flowability of control glass bead decreased dramatically after 80 % of humid control, however hydrophobic formulated glass bead kept its flow behavior like as before with very low sensitivity to humidity. Finally, influence of addition of small quantity of water on flow behavior of control glass bead has been investigated.