Brevet FR2477034A1 — publié le 19810904

La présente invention concerne des procédés de traitement de matières et plus précisément des procédés de mise en suspension et de modification ou d'adaptation de la masse volumique apparente d'une matière solide, ainsi que les particules ou produits résultants. La mise en suspension des matières solides dans un liquide de masse volumique nettement inférieure à celle de la matière solide est souvent souhaitable. Par exemple, on sait que, dans les générateurs magnétohydrodynamiques, la conductivité du plasma est nettement accrue lorsqu'une matière telle que le césium ou un composé du césium est injectée dans le plasma. Cependant, les essais de mise en suspension de carbonate de césium qui a7une masse volumi- que apparente de 4,6 g/cm, dans du toluène qui est le combustible du plasma, ayant une masse volumique de 0,866 g/cm 3, ont présenté des difficultés. Le césium ou le composé du césium se dépose à partir de la suspension et obture les passages de circulation du combustible. L'invention concerne notamment un procédé de modification ou d'adaptation de la masse volumique effi- cace d'une matière solide telle que le césium ou un com- posé du césium afin qu'elle puisse être facilement mise en suspension dans une matière ayant une masse volumique plus faible, par exemple le toluène. L'invention concerne aussi un produit particulaire qui contient cette matière solide et qui a une masse volumique adaptée à la valeur voulue. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence au dessin annexé sur lequel la figure unique est une coupe qui n'est pas à l'échelle d'un mode de réalisation avantageux d'appareil destiné à la mise en oeuvre de l'invention. On sait déjà qu'on peut former des particules ou enveloppes sphériques creuses par dissolution d'un polymère filmogène dans un solvant volatil convenable, puis par atomisation du mélange à la partie supérieure d'une chambré chauffée afin que des gouttelettes atomisées se forment. Lorsque les gouttelettes tombent par gravité dans la chambre chauffée, le solvant s'évapore rapidement et il se forme une peau ou enveloppe polymère. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n' 2 797 201 décrit un tel procédé et un appareil destiné à sa mise en oeuvre. Ce brevet montre en outre comment les concentrations relatives du polymère et du solvant, la température de séchage et la dimension des gouttelettes peuvent être modifiées afin que les enveloppes obtenues aient une dimension et une masse volumique prédéterminées (nominales). La figure représente une variante de chambre utilisée pour la mise en oeuvre de l'invention et compre- nant une chambre rectangulaire creuse carrée 10 de 1,2 m de côté, formée d'acier galvanisé. La chambre 10 a de pré- férence une hauteur de 3,65 m, cette hauteur suffisant pour que les particules ayant une plage intéressante de dimen- sions se solidifient. La chambre 10 est isolée à l'exté- rieur par 10 cm de fibres de verre 12 et a 16 résistances électriques 14 de chauffage de 1,5 m de longueur, réparties à intervalles réguliers autour de la paroi interne de la chambre afin que la zone enfermée 16 soit chauffée unifor- mément. Une buse 18 d'atomisation est destinée à transmet- tre des gouttelettes à la partie supérieure de la zone 16 et il s'agit de préférence d'un pistolet pneumatique auto- matique du type A-CUADF de Paasche Airbrush Company, 1809 Diversey Parkway, Chicago, Illinois 60614. Ce pis- tolet d'atomisation utilise un jet de gaz à grande vitesse, de préférence de l'air, pour l'application d'un gradient élevé de vitesse à une solution parvenant d'un réservoir afin que des gouttelettes soient formées lorsque la solution se détend dans l'orifice d'atomisation. Selon l'invention, le procédé décrit dans le brevet précité des EtatsUnis d'Amérique est modifié et utilisé pour l'adaptation de la masse volumique apparente de matières solides voulues, par formation d'enveloppes sphériques creuses d'une matière polymère telles que la matière solide est capturée dans les parois de l'enve- loppe. La dimension et le poids de l'enveloppe finale peu- vent être adaptés par modification des concentrations rela- tives du polymère, de la matière solide et-du solvant, de la dimension des gouttelettes et de la température de sé- chage. Le procédé selon l'invention est mis en oeuvre par formation initiale d'un mélange qui contient, de pré- férence à l'exclusion de tous autres ingrédients, la ma- tière solide voulue, un polymère filmogène et un solvant volatil convenable dans lequel le polymère est soluble. La matière solide qui peut être sous forme élémentaire ou sous forme d'un composé, peut être mise sous forme d'une poudre dont la dimension particulaire est comprise entre 0,1 et 5 microns, de préférence de l'ordre de 0,5 micron. La dimension des gouttelettes et l'épaisseur des parois de l'enveloppe fixent une limite supérieure à la dimension des particules de la matière solide. Le brevet précité indique des polymères filmo- gènes très divers. Des polymères convoEant selon l'invention peuvent être choisis dans le groupe qui comprend l'alcool polyvinylique, le polyméthacrylate de méthyle, la carboxy- méthylcellulose sodique, les copolymères d'alcool vinyli- que et de butyral vinylique, le polystyrène, les copoly- mères de styrène'et d'alcool allylique, le formal polyvi- nylique, le polyméthacrylate de 2-hydroxypropyle et les copolymères d'acrylonitrile-butadiène-styrène. Tout sol- vant dans lequel le polymère choisi est soluble et qui s'évapore à la température voulue pour la chambre convient à cet effet. Le solvant joue essentiellement le rôle unique de véhicule du polymère et de la matière solide et il n'a pas de rôle important sur la structure du produit final. Le mélange ou la solution su réservoir 20 est formé de manière qu'il ait une concentration prédéterminée en matières solides et en polymère et une viscosité comprise entre 1 et 500 cP. La matière solide peut être soluble ou en suspension dans le polymère, la dissolution ou la mise en suspension pouvant être facilitée le cas échéant par utilisation d'un champ ultrasonore. Le mélange de matière solide, de polymère et de solvant est alors pulvérisé sous forme de petites goutte- lettes atomisées ayant une dimension prédéterminée (nominale) dans la chambre 10 qui est préchauffée à une température prédéterminée. Les gouttelettes peuvent avoir une dimension quelconque comprise entre 5 et 500 microns, un diamètre compris entre 20 et 200 microns étant avantageux. La tem- pérature de séchage peut être comprise entre 20 et 500'C, de préférence entre 50-et 2000C. La relation entre la concentration du mélange, la dimension des gouttelettes et la température de séchage d'une part et la densité fi- nale de l'enveloppe formée d'autre part est indiquée dans la suite du présent mémoire. Les gouttelettes sont chauf- fées lorsqu'elles tombent et le solvant s'évapore si bien que des enveloppes creuses dans lesquelles la matière so- lide soluble ou en suspension est capturée dans les parois de l'enveloppe, se forme. La chambre contient de préférence de l'air chaud à la pression atmosphérique..Les enveloppes produites qui peuvent être collectées dans un plateau 22 placé au fond de la chambre, entourent de l'air et du solvant à une pression égale ou légèrement supérieure à la pression atmosphérique, suivant les variations de la per- méabilité de l'enveloppe avec la température. Le solvant contenu est-sous forme liquide ou vapeur (ou même solide) suivant la température de l'enveloppe et la pression ré- sultantes. La masse volumique des enveloppes formées est affectée essentiellement par le réglage du diamètre de l'enveloppe et de l'épaisseur de-sa paroi ainsi que des concentrations du polymère et de la matière solide. La masse volumique d de l'enveloppe est donnée par la rela- tion: D d = pd5 la gouttelette. La relation entre le diamètre de l'enve- loppe et l'épaisseur de paroi d'une part et la température de séchage, la dimension des gouttelettes et la concentra- tion d'autre part, peut être déterminée empiriquement. En général, plus les gouttelettes sont petites et plus les enveloppes sont petites, plus les concentrations sont éle- vées et plus les enveloppes ont des parois épaisses, et plus les températures sont élevées, plus les enveloppes sont grosses avec des parois minces. Dans un exemple particulier de mise en oeuvre de l'invention, indiqué dans le préambule, on veut fabri- quer des enveloppes qui contiennent du césium et qui puis- sent être mises en suspension dans du toluène. Le carbona- te de césium et l'alcool polyvinylique constituent des ma- tières très intéressantes pour la matière solide et le po- lymère respectivement.L'eau peut être utilisée comme sol- vant. On choisit arbitrairement une composition finale d'enveloppe contenant 50 % en poids de carbonate de cé- sium et 50 % d'alcool polyvinylique. Le carbonate de cé- sium a une masse volumique de 4,6 g/cm, et l'alcool polyvinylique une masse volumique de 1,3 g/cm3. On choisit un rayon d'enveloppe de 10 microns, si bien que le volume 3 3 total de l'enveloppe Vf est égal à 4, 19.10 pm.La masse volumique d5 de la solution est égale à 2,95 g/cm3 alors s 3 que celle du toluène est de 0,866 g/cm. Ainsi, il faut un facteur de réduction de la masse volumique efficace égal à 3,4. Le volume Vw de la paroi de l'enveloppe est donné par l'équation Vs 3 3 V = - = 1, 23 x 10 pm w f L'épaisseur de paroi doit donc être égale à 1,09 pm. On prépare une solution contenant 2,5 % d'al- cool polyvinylique et 2,5 % de carbonate de césium dans de l'eau et on l'atomise dans la chambre 10 de séchage. La dimension moyenne des gouttelettes atomisées-est de microns et la température de la chambre est de 1500C. Les enveloppes formées ont un rayon de 10 à 50 microns et une épaisseur de paroi de l'ordre de 1 micron. On peut maintenir en suspension les enveloppes pendant plusieurs minutes dans le toluène avec une faible agitation seule- ment. Les enveloppes contiennent encore 50 % en poids d'al- cool polyvinylique et 50 % en poids de carbonate de césium. REVENDICATIONS 1. Procédé d'adaptation de la masse volumique apparente d'une matière solide choisie, caractérisé en ce qu'il comprend (a) la formation d'un mélange, à une concentra- tion prédéterminée, contenant la matière solide, un polymère filmogène et un solvant volatil dans lequel le polymère est soluble, (b) la formation de gouttelettes de dimension prédéterminée à l'aide du mélange, et (c) le chauffage des gouttelettes à une tempé- rature prédéterminée afin que le solvant s'évapore et qu'une enveloppecreuse de matière polymère dans laquelle ladite matière solide est capturée se forme, la masse vo- lumique apparente de l'enveloppe étant fonction de la- dite concentration prédéterminée, de la dimension des gouttelettes et de la température. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la seconde et la troisième opération de forma- tion et de chauffage sont effectuées par atomisation du mélange dans une zone chauffée à la température prédéter- minée. 3. -Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la seconde et la troisième opération de for- mation et de chauffage sont mises en oeuvre par atomisa- tion du mélange dans une région supérieure de la zone chauffée afin que les enveloppes creuses se forment lors- que les gouttelettes tombent dans ladite zone sous l'ac- tion de la pesanteur. 4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le mélange est préparé afin que sa viscosité soit comprise entre 1 et 500 cP. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le polymère est choisi dans le groupe qui com- prend l'alcool polyvinylique, le polyméthacrylate de mé- thyle, la carboxyméthylcellulose sodique, les copolymères d'alcool vinylique et de, butyral vinylique, le polystyrène, les copolymères de styrène et d'alcool allylique, le for- mal polyvinylique, le polyméthacrylate de 2-hydroxypro- pyle et les copolymères d'acrylonitrile, de butadiène et de styrène. 6. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite zone-contient de l'air chauffé à la pres- sion atmosphérique. 7. Procédé de formation de particules creuses, caractérisé en ce qu'il comprend (a) le mélange d'une matière solide en poudre avec un polymère filmogène et un solvant dans lequel le polymère est soluble, et (b) la formation de gouttelettes avec le mélange, à une température à laquelle le solvant s'évapore si bien que le polymère devient solide en formant des particules creuses dans la paroi desquelles ladite matière solide est capturée. 8.- Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la seconde étape de formation comprend l'atomi- sation du mélange à la partie supérieure d'une zone chauf- fée afin que les particules creuses se forment lorsque les gouttelettes tombent dans ladite zone sous l'action de la pesanteur et le procédé comprend en outre la collecte des particules creuses à la partie inférieure de ladite zone. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la concentration du mélange, la dimension des gouttelettes et la température de la zone sont prédétermi- nées afin que les particules prennent une masse volumique apparente prédéterminée inférieure à celle de la matière solide. 10. Particule creuse, caractérisée en ce qu'elle est préparée par mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 et 7, cette particule étant sous for- me d'une enveloppe creuse sensiblement sphérique formée de polymère, ladite matière solide étant. capturée dans la paroi de l'enveloppe. 11. Procédé de mise en suspension d'une matière so- lide ayant une première masse volumique apparente prédé- terminée dans un véhicule fluide ayant une seconde masse volumique apparente sensiblement inférieure à la première masse volumique apparente, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend (a) la formation d'une solution contenant une matière solide en poudre, un polymère filmogène et un solvant dans lequel le polymère est soluble, à des con- centrations prédéterminées, (b) la formation de gouttelettes de dimension nominale prédéterminée à l'aide de la solution, (c) la formation d'enveloppes sphériques creu- ses à partir des gouttelettes, ces enveloppes ayant une masse volumique apparente sensiblement égale à la seconde masse volumique apparente,cette opération de formation comprenant l'atomisation de la solution sous forme de gouttelettes dans la partie supérieure d'une zone chauffée à une température prédéterminée et à pression atmosphéri- que afin que le solvant s'évapore lorsque les gouttelettes tombent sous l'action de la pesanteur dans ladite zone et que le polymère filmogène forme les enveloppes sphé- riques creuses ayant chacune une paroi dans laquelle la matière solide est capturée, les enveloppes ayant une masse volumique apparente qui est fonction des concentra- tions prédéterminées, de la dimension nominale-prédéter- minée des gouttelettes, et de la température prédéterminée, puis (d) la mise en suspension des enveloppes sphé- riques dans les parois desquelles la matière solide est capturée, dans le véhicule fluide. 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que la dimension nominale prédéterminée des gout- telettes est comprise entre 5 et 500 microns, et la tem- pérature prédéterminée est comprise entre 20 et 5000C. 13. Procédé selon la'revendication 12, caractérisé en ce que la dimension nominale prédéterminée des goutte- lettes est comprise entre 20 et 200 microns, et la tempé- rature prédéterminée est comprise entre 50 et 2000C.