Cinétique de séchage : effet de la durée du vieillissement

Le Tableau 4.1 présente le temps de gel, tg, observé pour chaque échantillon et la perte de masse totale, ∆m, obtenue après stabilisation de la masse. Certains échantillons séchés directement après gélification ont éclaté durant le séchage; il n’a donc pas été possible de suivre le processus de séchage jusqu’à l’évacuation complète du solvant. Le temps de gel diminue lorsque la température de synthèse et R/C augmentent. L’intervalle de variation de tg est très étendu : de 10 min pour les échantillons de la série X-500-90 à 570 min dans le cas de X-2000-50. La variation de masse est très similaire pour tous les échantillons (environ 70%), quels que soient la valeur de R/C, la température de synthèse et la durée de vieillissement, à l’exception des échantillons séchés directement après gélification. Cinq échantillons sur les sept séchés immédiatement après la prise du gel ont éclaté pendant le séchage : aucun gel préparé avec R/C = 500 n’a pu être séché sans dommage dans les conditions choisies, et lorsque R/C = 1000, les deux échantillons synthétisés à 50 et 70°C se sont brisés avant la fin du traitement. Les quatre autres sont restés monolithiques, mais le séchage est si lent que la mesure a été interrompue après 15 h sans atteindre une stabilisation complète de la masse : la perte de masse de ces échantillons varie de 52.3% (X-1000-90) à 62.2% (X-2000-70) au lieu d’atteindre 70%.

Les courbes de séchage, c’est-à-dire l’évolution de la masse avec le temps, des échantillons synthétisés avec R/C = 1000 et à deux températures différentes sont présentées aux Figs. 4.1a (50°C) et 4.1b (90°C) en fonction de la durée de vieillissement. Pour ces deux séries, les courbes de séchage des échantillons traités après 24, 48 et 72 h de vieillissement sont très similaires. Les échantillons atteignent la stabilisation de la masse après environ 6 h, quelle que soit la durée du vieillissement, lorsque l’échantillon est laissé dans le bain thermostatique au moins 24 h. Dans le cas de X-1000-50-0, le monolithe se brise avant la fin (Fig. 4.1a, point A) et la courbe de séchage ne peut plus être enregistrée au-delà de ce point.

L’échantillon X-1000-90-0 n’a pas éclaté (Fig. 4.1b), mais la masse n’atteint pas la stabilisation après 15 h de séchage. Des résultats très similaires ont été obtenus avec R/C = 500 et R/C = 2000 : la durée du vieillissement n’influe pas sur l’allure de la courbe de séchage. D’une manière générale, pour les échantillons séchés après au moins 24 h de vieillissement, le processus de séchage est très rapide au début : en 2 h de traitement, l’échantillon perd environ 90% de sa masse initiale. Puis le séchage ralentit assez brusquement et se termine après 6 à 8 h. Les échantillons préparés à la même température et avec le même rapport R/C donnent lieu à des courbes de séchage très semblables. Tous les matériaux présentent la même perte de masse finale (70% environ, Tableau 4.1), quelle que soit la valeur de R/C. Par contre, le comportement des échantillons séchés directement après gélification est complètement différent : la courbe ralentit après une perte de masse beaucoup plus réduite (20-30%), puis le séchage continue très lentement. Les gels traités directement après gélification sont difficiles à sécher et peuvent se briser, surtout lorsque R/C et la température de synthèse sont tous deux peu élevés (Tableau 4.1).

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Tableau 4.1. Temps de gel et pertes de masse

Échantillon tg ∆m (tg+0h) ∆m (tg+24h) ∆m (tg+48h) ∆m (tg+72h)

∆m (tg+Xh) : perte de masse lorsque l’échantillon est laissé X h dans le bain thermostatique après gélification.

Notes : -^a non mesurable à cause de l’éclatement de l’échantillon pendant le séchage; -^b masse encore non stabilisée après 15 h.

Fig. 4.1. Courbes de séchage des échantillons synthétisés avec R/C = 1000, (a) à 50°C et (b) à 90°C.

(¡) X-1000-50-0; („) X-1000-50-24; (S) X-1000-50-48; (z) X-1000-50-72; (‘) X-1000-90-0;

(…) X-1000-90-24; (U) X-1000-90-48; ({) X-1000-90-72. A : point de rupture de l’échantillon X-1000-50-0.

La Fig. 4.2a montre l’influence de la température de synthèse sur la courbe de séchage pour les échantillons obtenus avec R/C = 1000 après 24 h de vieillissement. Les résultats indiquent que modifier la température de synthèse dans l’intervalle choisi ne modifie pas beaucoup la courbe de séchage. Les courbes obtenues pour les échantillons X-1000-70-24 et X-1000-90-24 sont presque superposées; celle de l’échantillon X-1000-50-24 ralentit de manière un peu plus abrupte après 1 h de séchage et la masse continue à diminuer lentement jusqu’à environ 6 h de traitement. La différence avec les autres courbes est néanmoins très

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faible. Les échantillons produits avec R/C = 500 ont un comportement similaire lorsqu’ils sont soumis au séchage, et leurs courbes de séchage ne sont donc pas présentées.

Généralement, les matériaux synthétisés à 50°C sont un peu plus difficiles à sécher complètement, le séchage ralentissant plus tôt que dans le cas des gels synthétisés à plus haute température. À R/C = 2000, et après 24 h de vieillissement (Fig. 4.2b), les observations sont un peu différentes : les courbes obtenues pour les échantillons synthétisés à 50°C et 90°C ralentissent avant celle obtenue à 70°C. Les résultats sont identiques, quelle que soit la durée du vieillissement.

Fig. 4.2. Influence de la température de synthèse sur les courbes de séchage des échantillons après 24 h de vieillissement préparés (a) à R/C = 1000 et (b) à R/C = 2000. (‘) X-1000-50-24; (…) X-1000-70-24;

(U) X-1000-90-24; (¡) X-2000-50-24; („) X-2000-70-24; (S) X-2000-90-24.

L’effet de la variable R/C est présentée aux Figs. 4.3a et 4.3b. Contrairement à la température de synthèse et à la durée du vieillissement, le rapport R/C a une influence considérable sur le processus de séchage : en effet, à mesure que R/C augmente, le temps nécessaire au traitement de séchage diminue d’environ 7 h (X-500-70-72) à moins de 3 h (X-2000-70-72) (Fig. 4.3a). Les courbes de séchage se superposent au début du procédé (entre 0 et 1 h), puis toutes les courbes montrent un ralentissement du séchage d’autant plus abrupt que R/C est élevé. Les cinétiques de séchage, c’est-à-dire la vitesse de séchage en fonction de l’humidité du matériau exprimée sur base sèche, W (kgeau/kgmatière sèche), sont présentées à la Fig. 4.3b. Une longue phase à vitesse de séchage constante est observée lorsque R/C = 2000 (jusqu’à W ≅ 1 kgeau/kgmatière sèche), tandis que la vitesse de séchage diminue continûment lorsque R/C = 500. Un plateau très court apparaît pour R/C = 1000.

L’influence de R/C est la même quelles que soient la température de synthèse et la durée de vieillissement choisies.

0 25 50 75 100

0 2 4 6 8

temps (h)

% masse

0 25 50 75 100

0 2 4 6 8

temps (h)

% masse

(a) (b)

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Fig. 4.3. Influence du rapport R/C sur les courbes de séchage. Échantillons X-500-70-72 (¡), X-1000-70-72 („) et X-2000-70-72 (S). (a) Résultats bruts et (b) vitesse de séchage en fonction du taux d’humidité du matériau.

D’une manière générale, le temps requis pour éliminer 90% du solvant n’excède jamais 2.5 h pour l’intervalle de valeurs de R/C choisi dans cette étude lorsque la période de vieillissement est de 24 h au moins. L’évacuation des 10% restants peut être longue : jusqu’à 6 heures supplémentaires pour les échantillons synthétisés à bas R/C. Néanmoins, ce procédé est beaucoup plus rapide que n’importe quelle autre méthode décrite précédemment dans la littérature.