Brevet FR2899970A1 — publié le 20071019

La présente invention concerne le domaine de la recherche de caractéristiques de particules et notamment de la distribution de ces caractéristiques sur un ensemble de particules et a plus particulièrement pour objet un dispositif de mesure de la masse volumique apparente d'un ensemble de particules apte à mettre en oeuvre un procédé par flottation. L'élaboration et la mise en oeuvre de matériaux particulaires sont les premières étapes de la fabrication de nombreux matériaux composites. Les plus simples de ces matériaux sont alors constitués de deux composants : les particules et un liant. Les propriétés d'usage de ces matériaux composites sont souvent dépendantes de la microstructure des particules élémentaires employées. La densité apparente des particules peut être un paramètre de microstructure important. Il permet par exemple de caractériser quantitativement l'homogénéité des particules, et de déterminer leur degré de pureté ou une densité de défauts. La densité ou masse volumique apparente d'une particule est déterminée par le rapport de sa masse et de son volume apparent. Il y a deux grandes familles de méthodes de mesure de masse volumique de particules : les méthodes indirectes et les méthodes directes. Les méthodes indirectes sont basées sur la mesure de la masse et du volume des particules. Ce sont les méthodes de type pycnomètre à gaz ou liquide. Les masses sont déterminées par pesées. Les volumes sont déterminés par des mesures de pression (gaz) ou des pesées (liquide). Ces méthodes donnent accès à la densité moyenne de l'ensemble des particules. Elles ne permettent pas de déterminer la répartition des densités apparentes sur l'ensemble de particules. Les méthodes directes sont basées sur la décantation, aussi appelée la flottation, au sein d'un liquide dont on contrôle la masse volumique. Ces méthodes séparent en partie basse les particules plus denses que le liquide et en partie haute les particules moins denses que le liquide. Deux techniques sont employées : la méthode du gradient de densité et la méthode de flottation. La méthode du gradient de densité consiste à créer un gradient de densité au sein d'une colonne de liquide. Les particules sont alors lâchées au sommet de la colonne. Elles vont descendre dans la colonne jusqu'à ce que la densité du liquide équilibre la densité de la particule. Un étalonnage préalable de la colonne permet de relier la densité du liquide et la hauteur dans la colonne. Un enregistrement pour chaque particule de la hauteur de stabilisation dans la colonne permet d'obtenir la répartition de densité apparente des particules d'un ensemble donné. La méthode de flottation consiste simplement à immerger un échantillon de particules dans un liquide de masse volumique connue, à laisser décanter les particules plus denses que le liquide, à collecter et peser ces particules. Le principe de cette mesure est simple, la mise en oeuvre pour un résultat précis et reproductible est plus délicate. Les points durs de ce type de méthode sont, d'une part la précision du contrôle de la masse volumique du liquide de flottation, et d'autre part l'extraction des fractions de particules déposées en partie basse du récipient. On connaît aussi les dispositifs de mesure par centrifugation : cependant, leur emploi pose des problèmes de sécurité dans le cas de particules de matériaux énergétiques. Le but de l'invention est de proposer un dispositif de mesure de la masse volumique de particules apte à mettre en oeuvre un procédé par flottation, permettant de déterminer cette masse volumique avec une très grande précision et ne présentant pas de problème d'extraction des particules ni de risque d'explosion. La solution apportée est un dispositif de mesure de la masse volumique de particules apte à mettre en oeuvre un procédé par flottation et caractérisé en ce qu'il comporte un récipient possédant une paroi interne dont au moins une première partie est en forme de cône inversé, et en ce qu'il comporte des moyens d'extraction de liquide communiquant avec ladite première partie au niveau du sommet du cône. Par cône, il faut entendre la forme géométrique délimitée par ladite première partie de la paroi interne. Selon une caractéristique particulière, lesdits moyens d'extraction comportent un tube reliant l'intérieur du récipient à l'extérieur du récipient et communiquant avec l'intérieur du récipient au niveau du sommet du cône. Selon une caractéristique particulière, la première partie est en forme de cône tronqué, la troncature formant une ouverture qui communique avec ledit tube. Selon une caractéristique particulière favorisant le dépôt des particules sur le fond du récipient, la hauteur de la première partie est comprise entre 1,5 et 3 fois son diamètre. Selon une caractéristique particulière, l'axe X du tube fait avec l'axe Y dudit cône un angle compris entre Tc/2 et Tc Radians. Selon une caractéristique particulière, la paroi interne comporte une seconde partie de forme tubulaire surmontant ladite première partie et de même section que la base du cône. Selon une caractéristique additionnelle, l'intérieur du récipient est relié à un 5 densimètre comportant un tuyau de prélèvement possédant un filtre à son extrémité située à l'intérieur du récipient. Selon une autre caractéristique permettant d'améliorer la précision des résultats, le récipient comporte deux parois, l'une interne et l'autre externe, la paroi externe comportant des ouvertures connectées à un dispositif de régulation de la 10 température à l'intérieur de l'espace séparant lesdites parois interne et externe, ces moyens étant préférentiellement aptes à assurer une circulation d'un liquide à une température régulée constante à l'intérieur dudit espace. Selon une caractéristique particulière, le récipient est fermé, du côté opposé à celui des moyens d'extraction, par un couvercle, préférentiellement réalisé, au moins 15 en partie, par un matériau thermiquement isolant. Selon une caractéristique particulière, ce couvercle comporte au moins trois alésages. Selon une caractéristique particulière, l'intérieur du récipient communique avec des moyens aptes à l'alimenter avec un liquide, ces moyens étant 20 préférentiellement aptes à passer, en partie, par l'un desdits alésages pratiqués dans le couvercle. Selon une caractéristique additionnelle, la paroi externe du récipient est recouverte, au moins en partie, par un matériau thermiquement isolant. Selon une caractéristique particulière, le dispositif comporte des moyens 25 d'agitation du fluide disposés, au moins en partie, à l'intérieur du récipient. Selon une autre caractéristique, le récipient est rempli par un mélange d'au moins deux liquides, l'ajustement des proportions relatives des deux liquides permettant de régler finement la masse volumique du mélange. Pour des particules de RDX ou de HMX, on utilise préférentiellement un mélange de toluène et d'iodure 30 de méthylène (CH2I2). Selon une caractéristique additionnelle, les moyens aptes à alimenter l'intérieur du récipient avec un liquide, sont aptes à l'alimenter avec du toluène. D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront dans la description d'un mode de réalisation de l'invention au regard des figures annexées parmi lesquelles : la figure 1 est un schéma simplifié d'un dispositif de mesure de la masse volumique de particules selon un mode de réalisation de l'invention, - la figure 2 présente un schéma complet d'un dispositif de mesure de la masse volumique de particules selon ce mode de réalisation de l'invention Comme montré sur la figure 1, un dispositif de mesure de la masse volumique de particules selon le mode de réalisation présenté de l'invention se compose de trois parties principales : un récipient de flottation 1, un système 2 de mesure de la masse volumique de liquides et un système 3 de régulation de température. Le récipient de flottation 1 est un récipient en verre à doubles parois, à savoir une paroi interne 4 et une paroi externe 5. Sa partie intérieure 6 contient un liquide de flottation 7 dans lequel sont dispersées des particules 8 dont la masse volumique doit être déterminée. Ce liquide de flottation 7 est constitué par un mélange, par exemple de toluène et d'iodure de méthylène. La paroi interne 4 comporte une première partie 9, intermédiaire, de forme conique inversée et tronquée, une seconde partie 10 de forme tubulaire cylindrique de même diamètre que la base 8 du cône délimité par la première partie et une troisième partie 11 composée d'un tube cylindrique 12 communiquant par l'une de ses extrémités avec le sommet du cône délimité par la première partie 9 de la paroi interne 4. Ladite seconde partie 10 a un diamètre de 100 mm et une hauteur de 200 mm. Elle permet d'assurer une bonne dispersion des particules au sein du liquide de flottation 7 avec une concentration optimisée de particules 8. Ladite première partie 9 de forme conique a une hauteur de 200 mm. Elle permet de collecter les particules lors de la décantation et de les extraire du récipient sans créer des mouvements dans le fluide qui perturberaient la mesure. Cette première partie 9 de la paroi interne 4 comporte, au niveau du sommet 14 dudit cône, une ouverture 13 qui lui donne sa forme tronquée. Cette ouverture communique avec le tube cylindrique 12 de diamètre 12 mm et dont l'axe X fait avec l'axe Y dudit cône un angle a compris entre rt/2 et 3 /2 Radians, et préférentiellement compris dans l'intervalle 27r/3 n/36. Ce tube cylindrique 12, constitutif de la troisième partie 11 de la paroi interne 4, traverse la paroi externe 5 du récipient et comporte, sur sa partie 15 située à l'extérieur du récipient 1, un robinet ou une vanne 16 qui permet de régler le débit de vidange du récipient. Le tube 12 et le robinet ou la vanne constituent des moyens d'extraction du liquide de flottation. La paroi externe 5 du récipient 1 est de forme tubulaire cylindrique et solidarisée à la paroi interne 4 au niveau de son extrémité supérieure 17 ; elle est fermée à son extrémité inférieure 18. Cette paroi externe comporte en outre deux ouvertures, l'une 19 au niveau de son extrémité supérieure 17 et l'autre, 20, au niveau de son extrémité inférieure 18, ces ouvertures 19 et 20 étant destinées à être connectées au système 3 de régulation de température. Comme montré sur la figure 2, le récipient de flottation 1 est muni d'un couvercle 22 permettant d'une part de garantir la stabilité de la masse volumique du mélange de flottation 7 en supprimant toute évaporation préférentielle d'un des liquides composant le mélange de flottation et d'autre part de limiter les déperditions thermiques du liquide 7. Ce couvercle comporte trois alésages 23, 24 et 25 permettant respectivement le passage : • de l'extrémité 26 d'une seringue 27 qui permet d'ajuster la masse volumique du 20 mélange de flottation par ajout d'un des composants. • d'une partie 28 d'un agitateur à hélice 29 qui permet d'assurer le mélange intime et la bonne homogénéité du mélange de flottation. II faut éviter les gradients de densité dans le récipient. • d'un tuyau 30 de prélèvement de liquide de flottation pour la mesure de la masse 25 volumique du mélange de flottation. Ce tube comporte un filtre 31 à son extrémité située à l'intérieur du récipient. Ce filtre 31 est apte à laisser passer le liquide mais pas les particules 8. Il a été fabriqué et placé à l'extrémité du tuyau 30 de prélèvement au sein du liquide 7 dans la partie intérieure 6 du récipient de flottation 1 pour ne pas aspirer de particules 8 lors du prélèvement et perturber la mesure de 30 masse volumique. Il est de forme conique tronquée et réalisé en laiton. Le sommet du cône a un diamètre de 5 mm et est relié par le tuyau de prélèvement au densimètre. La hauteur du cône est de 30 mm. Un tamis de maille carrée 80 pm est serti à la base du cône. Le diamètre de la base du cône est de 17 mm. Le système de mesure de la masse volumique de liquide est un densimètre digital de marque A. PAAR et de type DMA 48 . Cet appareil mesure la masse volumique d'un liquide en utilisant le principe du tube vibrant. La température de l'échantillon étant contrôlée précisément (0.1 C), la précision de la mesure de masse volumique du liquide est 0.0001 g/cm3. La sensibilité du dispositif expérimental est 0.00003 g/cm3. Le système optionnel (Fill Rinse System) de prélèvement automatique de l'échantillon de mesure est employé. Le système 3 de régulation de température est un dispositif à circulation d'eau. C'est un cryothermostat commercial 32 de type ministat . La précision du contrôle 10 de température est de 0.1 C. Une circulation d'eau provenant du cryothermostat passant dans l'espace 33 délimité par la paroi interne 4 et la paroi externe 5 du récipient et retournant ensuite dans le cryothermostat, permet d'assurer la régulation de la température du liquide de flottation 7. Afin de réduire au maximum l'influence de la température extérieure, 15 le récipient de flottation 1 est placé dans une gaine 34 en mousse thermiquement isolante. L'ensemble du dispositif expérimental est préférentiellement placé dans une pièce dont la température est inférieure à la température du liquide de flottation. Si la température du liquide de flottation est régulée sur 20 C, il est souhaitable que la 20 température de la pièce soit régulée sur environ 19 C. Ceci évite les courants de convection thermique qui peuvent être générés au voisinage du robinet de vidange en raison d'une isolation thermique plus réduite. Ces courants de convection perturbent la décantation des particules. C'est un point important. Ce contrôle de la température externe permet de créer un petit tampon liquide de plus forte densité qui 25 ne contient pas de particules. Il permet en cas de besoin de rincer le robinet lors de la collecte des particules et d'accroître la précision de la mesure. Ce dispositif permet de mesurer la répartition de densité apparente d'un lot de particules. Il fournit une mesure précise de la densité apparente d'une particule, mais également la répartition des densités apparentes des particules au sein d'un 30 ensemble donné. Ce dispositif permet, de plus, d'extraire de l'ensemble initial de particules, des sous-ensembles présentant des répartitions de densité apparentes plus homogènes que celle de l'ensemble initial. La mesure d'autres caractéristiques sur chacun de ces sous-ensembles permet de distribuer les mesures de densité apparente en fonction d'autres caractéristiques, par exemple la taille des particules. Le mode opératoire décrit ci-après concerne un procédé de mesure de la masse volumique apparente de particules d'hexogène (RDX) ou d'octogène (HMX) mis en oeuvre avec un dispositif selon l'invention. Le récipient est rempli de 1,5 I du liquide de flottation. Le choix de ce liquide ou mélange de liquides répond à deux exigences principales : • la possibilité d'ajuster finement sa masse volumique en variant par exemple sa composition. • de bonnes propriétés de mouillabilité par rapport aux particules à caractériser. Le liquide de flottation doit être sans effets sur les particules. Dans le cas d'une faible solubilité des particules dans ce liquide, il faudra prendre la précaution de travailler avec un liquide saturé du matériau composant les particules. Dans cet exemple de réalisation, le liquide de flottation 7 est constitué par un mélange de toluène et d'iodure de méthylène. Une masse de particules est introduite dans le mélange de flottation. Cette masse est déterminée en fonction de la nature des particules. Il faut un nombre suffisant de particules pour être statistiquement représentatif du lot à étudier. Mais la concentration de particules dans le liquide doit être limitée pour éviter les influences mutuelles entre particules lors de la décantation. Dans cet exemple de réalisation, la masse de particules de RDX est comprise entre 30 et 40 grammes. Les particules dans le mélange de flottation au sein du récipient étanche sont dispersées par agitation mécanique. Cette agitation du mélange de flottation assure son homogénéité. L'ajustement de la masse volumique du liquide est réalisé à l'aide du densimètre numérique. Les divers échantillons de liquide, prélevés dans le récipient par le densimètre numérique sont stockés dans un petit flacon annexe pour ne pas perturber la procédure d'ajustement de la masse volumique de l'échantillon. Après vérification de la stabilité de la masse volumique du liquide de flottation, l'agitation du système est arrêtée pour permettre la décantation des particules. Le temps nécessaire pour obtenir la séparation entre les particules est variable en fonction de la taille des particules. II peut varier entre 3 et 10 heures. Dans tous les cas une séparation nette des particules doit être observée. Les particules sont alors extraites du récipient par le tube 12, après ouverture du robinet 16 et recueillies sur un filtre de type verre fritte et lavées avec de l'éthanol par aspiration sous vide. Elles sont ensuite pesées précisément. Partant d'un mélange de flottation présentant une masse volumique telle qu'aucune particule ne se dépose en partie basse du récipient, on procède par étapes successives en abaissant successivement la masse volumique du mélange par ajout de petits volumes de toluène et en extrayant les particules à chaque étape. L'injection d'environ 5ml de toluène permet de diminuer la masse volumique du mélange de flottation d'environ 0,003 g/cm3. Cette masse volumique évolue autour de 1,8 g/cm3 dans le cas de particules de RDX et de 1,9 g/cm3 dans le cas de particules de HMX. REVENDICATIONS 1 Dispositif de mesure de la masse volumique de particules apte à mettre en oeuvre un procédé par flottation et comportant un récipient (1), caractérisé en ce que la paroi interne du récipient comporte au moins une première partie (9) en forme de cône inversé, et en ce qu'il comporte des moyens (11, 12, 16) d'extraction de liquide communiquant avec ladite première partie (9) au niveau du sommet (14) du cône. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens d'extraction (11) comportent un tube (12) reliant la partie intérieure (6) du récipient (1) à l'extérieur du récipient et communiquant avec la partie intérieure (6) du récipient au niveau du sommet (14) du cône. 3 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la première partie (9) est en forme de cône tronqué, la troncature formant une ouverture (13) qui communique avec ledit tube (12). 4 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la hauteur de la première partie (9) est comprise entre 1,5 et 3 fois son diamètre maximal. 5 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que l'axe X du tube (12) fait avec l'axe Y dudit cône un angle compris entre n/2 et 311/2 Radians. 6 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la paroi interne (4) comporte une seconde partie (10) de forme tubulaire surmontant ladite première partie (9) et de même section que la base (21) du cône. 7 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'un densimètre (2) est relié à la partie intérieure (6) du récipient (1) par un tuyau de prélèvement (30) comportant un filtre (31) à son extrémité libre. 8 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le récipient comporte deux parois, l'une interne (4) et l'autre externe (5), la paroi externe comportant au moins deux ouvertures (19, 20) connectées à des moyens (3, 32) de régulation de la température à l'intérieur de l'espace (33) séparant lesdites parois interne et externe, ces moyens étant préférentiellement aptes à assurer une circulation d'un liquide à une température régulée constante à l'intérieur dudit espace. 9 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le récipient (1) est fermé, du côté opposé à celui des moyens d'extraction(11,12,16), par un couvercle (22), préférentiellement réalisé, au moins en partie, en un matériau thermiquement isolant. 10 Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que ce couvercle (22) comporte au moins trois alésages (23, 24, 25) débouchant de part et d'autre du couvercle (22). 11 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la partie intérieure (6) du récipient (1) communique avec des moyens (26,27) aptes à l'alimenter avec un liquide, ces moyens étant préférentiellement aptes à passer, en partie, par l'un desdits alésages (23, 24, 25) pratiqués dans le couvercle (22). 12 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que la paroi externe (5) du récipient est recouverte, au moins en partie, par un matériau isolant (34). 13 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que le récipient (1) est rempli, au moins en partie, par un mélange liquide (7) de toluène et d'iodure de méthylène (CH2I2).