Etude de la coulabilité

La coulabilité se définit comme l'ensemble des aptitudes qui rendent le matériau pulvéru-lent apte à s’écouler. Une bonne coulabilité permet donc l'écoulement en masse, régulier et complet, sans démélange ni ségrégation [15]. Dans le cas de la compression, elle est une con-dition nécessaire mais non suffisante puisqu'elle permet la faisabilité de l'opération en garan-tissant la vidange des trémies d'alimentation, en autorisant un remplissage régulier des ma-trices, une cadence de production élevée, une constance de la dose au sein des comprimés si le mélange est homogène. La connaissance de l'aptitude à l'écoulement des matériaux à compri-mer est donc indispensable, bien qu'elle ne puisse garantir totalement le comportement en situation réelle qui résulte de la coulabilité du matériau mais également des conditions d'écou-lement extrinsèques.

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II.3.1. mesure de l’aptitude à l’écoulement a. Ecoulement à travers un orifice

Ce test correspond à une mesure d’écoulement gravitaire dont le protocole est décrit dans la Pharmacopée Européenne [4]. C’est la mesure de l’aptitude d’un matériau à s’écouler à travers un orifice calibré, exprimée par le débit (g.s-1) :

é ′é = ^{( )}

′é -19-

Pour considérer un bon écoulement de la poudre au travers d’un entonnoir normalisé en verre, le temps doit être inférieur à 10 s pour 100g de substance (17, 18).Ce type d’essai pré-sente l’avantage d’être simple d’utilisation mais prépré-sente l’inconvénient d’être affecté par les conditions de mise en œuvre de l’essai : humidité, granularité du matériau, masse volumique etc. Ce test doit alors être limité à des études comparatives et ne peut prétendre exprimer des valeurs précises et une qualification intrinsèque du matériau. Elles consistent à mesurer l’angle formé par un tas de poudre dans des conditions d’écoulement données. Ce test amène à mesurer différents angles suivant le dispositif utilisé : angle de repos, de glissement, de ta-lus, de spatule, de chute, de friction, de roulement [19] (figure I.1.2). La précision de ces me-sures est limitée [20] et elles sont souvent mises à défaut pour les poudres d’écoulement diffi-cile. Par conséquent, l’intérêt de cette mesure est également comparatif.

b. Les mesures angulaires

Les mesures d’angles de repos ont été les premières mesures pour évaluer la coulabilité

d’une poudre. Cet angle est une mesure de la limite de rupture (avant écoulement) de l’empilement. Quelques-unes des méthodes existantes sont présentées dans la figure 7:

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Ces angles servent à faire des comparaisons entre des produits. La procédure de prépara-tion des échantillons pour le test doit être faite toujours de la même façon. Même dans ce cas, les écarts obtenus entre les mesures successives peuvent être assez importants (couramment ± 5°). De plus, les valeurs obtenues dans les différents dispositifs sont difficilement compa-rables (41).

De tous les dispositifs illustrés par la figure 7, la mesure de l’angle de rotation (angle dy-namique) est une méthode totalement indépendante de l’action du manipulateur. L’appareil utilisé pour mesurer cet angle s’appelle tambour tournant, et pour réaliser des mesures, il suf-fit de remplir un cylindre avec l’échantillon de poudre et le faire tourner. Avec cet appareil deux angles sont mesurés : angle d’avalanche θa (avant écoulement) et angle de repos dyna-mique θ

d (après écoulement), comme le montre la figure 7.

Toutes les mesures angulaires présentées ici caractérisent les propriétés d’écoulement d’une poudre soumise à des contraintes très faibles, car les contraintes de consolidation sur la surface d’un tas sont de l’ordre de la pression exercée par quelques couches du produit.

c. Evolution de la masse volumique apparente par tassement

L’étude du tassement des poudres se fait sous très faibles contraintes de manière à analy-ser l’aptitude de la poudre à se réarranger. Elle consiste à déterminer, dans des conditions dé-finies, les volumes apparents occupés dans une masse donnée de poudre avant et après tasse-ment. La méthode du voluménomètre de tassement utilise une éprouvette de 250 ml graduée placée sur un appareil de tassement pouvant provoquer environ 250 chutes par minute d'une hauteur de 3 mm [4] et dans laquelle 100 g de poudres sont versées. Le volume apparent non tassé (Vo, cm3) occupé par la masse (m, g) de poudre permet de déterminer la masse volu-mique apparente de la poudre (g.cm-3) :

Dapp = m/Vo -20 -

D’autre part, un indice, empirique, est communément utilisé pour distinguer les produits selon leur écoulement [17, 18, 21] : si la variation du volume de la colonne de poudre entre le 10ème et le 500ème coup (V10-V500) est supérieure à 20 ml, le produit présentera des

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cultés d’écoulement à cause de l’air persistant entre les particules, liées à une capacité de réarrangement importante. Une autre expression des résultats est sous forme de cinétiques de tassement :

-21 -

Elles permettent d’évaluer l’aptitude du matériau à se réarranger, c’est-à-dire de caractéri-ser sa compressibilité Plus la pente de la courbe est élevée, plus le réarrangement est précoce et par conséquent l'écoulement favorable. Plus la hauteur du plateau est faible, meilleur est le réarrangement initial, plus faible est le tassement et par corollaire l'aptitude à l'écoulement est bonne.

L'indice de Hausner (I_Hausner) et l'indice de Carr (I_CARR, %) sont basés sur la mesure du vo-lume apparent non tassé (Vo, cm3) puis du vovo-lume final (VT, cm3) obtenu en provoquant le tassement de la poudre jusqu'à obtention d'un volume constant [4]. Hausner indique que la différence de cet indice, par rapport à 1 est représentative des frictions interparticulaires qui limitent l’écoulement [22]. Carr a proposé un classement de l’aptitude à l’écoulement des poudres [23, 24] en fonction de la valeur de ICARR

Le tableau I.1.6 rend compte de l'écoulement en fonction des indices :

-22-

-23-

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Tableau .5 : Aptitude à l’écoulement des poudres (4, 18).

Indice d'Hausner Indice de Carr (%) Aptitude à l'écoulement

1,00 – 1,11 1,12 – 1,18 1,19 – 1,25 1,26 - 1,34 1,35 - 1,45 1,46 – 1,59 > 1,60 1 - 10 11 - 15 16 - 20 21 - 25 26 - 31 32 - 37 > 38 excellente bonne assez bonne passable médiocre très médiocre extrêmement médiocre

Remarque : la méthode utilisant le combiné d'analyse Hosokawa combine à la fois les me-sures d'écoulement, d'angles et de tassement.

d. mesure de la compressibilité

La compressibilité d’un milieu granulaire est liée aux propriétés d’écoulement car elle est représentative des forces inter-granulaires et donc, indirectement, de la cohésion du milieu. Une poudre cohésive versée en pluie conduit à un empilement lâche. Le tassement imposé (par chocs successifs) casse les liens entre particules et permet leur réarrangement. Plus les forces inter-particulaires sont importantes (poudres cohésives), plus le milieu aura la possibili-té de se comprimer. Des mesures de densipossibili-té aérée et tassée (densipossibili-té après que la poudre ait subi un certain nombre donné de chocs) donne une estimation de la compressibilité de ce mi-lieu:

é é= é é é

é -24- où : ρ

tassée : est la masse volumique apparente tassée, ρ

aérée e : est la masse volumique apparente non tassée.

Des valeurs plus importantes de compressibilité sont obtenues si la poudre est soumise à une compression directe au lieu d’être tassée par des chocs (Brown, 1970).

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L’étude de la résistance au cisaillement permet d'étudier un matériau sous différents états de consolidation et d'en tirer un indice de coulabilité indépendant de l'état de consolidation dans le domaine de l'écoulement [5, 20]. Différents appareillages sont disponibles pour réali-ser ce type de caractérisation rhéologique : le tackiness tester, le split tester, le cohésion tester, la cellule de Walker, la cellule de Johanson, la cellule de Jenike, etc. (25-26).

 Cellule de Jenike :

La théorie de Jenike, développée initialement pour le dimensionnement de silos, est basée sur le postulat qu’une poudre, dans une trémie, ne peut s’écouler que si les forces de gravité sont supérieures aux forces de cohésion [29]. Par conséquent, il est nécessaire que l’orifice de sortie soit supérieur au diamètre critique pour lequel il y a égalité entre les forces motrices et les forces de rétention : cet équilibre est le critère d’écoulement de Jenike [25,27].

Jenike a mis au point un dispositif permettant d’effectuer des essais de cisaillement, à partir desquels est tracée la fonction d’écoulement de la poudre, ou flow function (FF), de manière à exprimer la relation qui unit les forces de cohésion à la pression de consolidation.

La cellule de cisaillement, dans sa configuration poudre/poudre, permet d’appliquer une contrainte normale s et de provoquer le cisaillement du matériau ainsi consolidé, selon le plan de jonction des deux demi-boîtes constitutives de la cellule. La rupture de l’échantillon cor-respond alors à la limite R de la contrainte tangentielle .

Fig. 8 : Schéma d’une cellule de cisaillement de Jenike. A est la base fixe, B est l’anneau C’est le couvercle, N est la force normale et S est la force de cisaillement (42).

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Dans le cadre d’une caractérisation rhéologique des matériaux, les essais de ci-saillement se déroulent en deux phases :

- une phase de préconsolidation et de précisaillement - une phase de cisaillement.

La phase de préconsolidation et de précisaillement est nécessaire pour permettre la mise en place du matériau dans la cellule dans un état de densification optimal et d’organisation iden-tique pour tous les essais conduits, pour une contrainte de préconsolidation donnéec.

Les essais de cisaillement consistent à déterminer une famille de courbes de rupture ou courbes intrinsèques représentées dans le plan de Mohr par les profils = f ( pour des con-traintes de préconsolidation variables de 1 à 15 kPa (figure 9).

Fig. 9 : Exemple d’une famille de courbes de rupture [27].

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Pour chaque courbe intrinsèque, il est possible de tracer :

- le cercle de Mohr tangent à la courbe et passant par le point correspondant à la contrainte normale maximale, définissant la contrainte principale majeure de consolidation 1,

- le cercle de Mohr tangent à la courbe et passant par l’origine, définissant la contrainte effec-tive de rupture fC.

L’ensemble des couples (1, fC) définit la fonction d’écoulement FF : fC = f (1). La fonction d’écoulement permet de quantifier l’aptitude à l’écoulement et devient un élément de compa-raison et de classification.

Fig.10 : Exemple d’une fonction d’écoulement (FF) (27).

La poudre peut être caractérisée par un indice de coulabilité :

Il est possible de classer les poudres en quatre catégories (figure10) : - I IC > 10 : écoulement libre

- II 4 < IC < 10 : écoulement aisé, il nécessite des diamètres plus importants que la catégorie précédente mais, en général, ne pose que peu ou pas de problèmes,

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- IV IC < 1,6 : poudre très cohésive, l’écoulement gravitaire est impossible

Cette méthode est la plus satisfaisante puisqu’elle prend en compte l’état de densification du matériau mais présente l’inconvénient d’utiliser beaucoup de poudre et d’être d’une mise en œuvre délicate.

 Cellule de Johanson :

Johanson, pour palier la complexité du modèle et du dispositif de Jenike, a élaboré une cellule dont le mode opératoire est simplifié, la consommation de produit moindre et, selon lui, la pré-consolidation et le cisaillement plus uniformes [28].

L’essai repose sur une mesure de contrainte de cisaillement à partir d’une unique compres-sion uniaxiale pour consolider la poudre. L’étude est réalisée à l’aide d’une cellule composée de deux pistons supérieurs indépendants (piston intérieur et piston extérieur) et d’un piston inférieur. La mesure de la fonction d’écoulement est directe et ne nécessite souvent que quelques pressions de consolidation, limitant la consommation de produit [25].

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Chapitre II : opération sur les poudres