7. Les nanomatériaux, leur comportement et leur détection dans l’air
7.2 Formation et comportement des particules nanométriques ou ultrafines
Nous résumerons ici les différents processus de diffusion, de coagulation, agrégation, agglomération, de sédimentation gravitationnelle ainsi que de remise en suspension impliquant des NP.
La diffusion constitue normalement le mode principal de transport des NP, les particules d’un aérosol diffusant de la plus haute vers la plus basse concentration. Plus la particule est petite, plus elle diffuse rapidement. À 1 nm, le coefficient de diffusion d’une particule est environ 5 % de celui des gaz (Maynard et Kuempel, 2005). C’est ainsi que lors d’une fuite, les NP pourront rapidement contaminer de grandes surfaces et de ce fait, exposer les travailleurs présents.
Remarquons de plus que les NP peuvent, dans la plupart des situations, incluant lors de l’inspiration par le travailleur, se déplacer plus rapidement que le courant d’air, adoptant ainsi une trajectoire très aléatoire qui est fonction de la multitude de collisions entre ces NP et les molécules de gaz, de vapeurs ou d’autres aérosols présents.
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Lorsque les NP frappent d’autres particules, elles auront une tendance naturelle à s’agréger ou à s’agglomérer. La différence usuelle entre ces deux termes est la suivante. Dans l’agrégation, les particules se lient très fortement les unes aux autres de sorte que leur surface totale est inférieure à la somme des surfaces des particules individuelles. Les agrégats sont difficiles à défaire. Par agglomération, on signifie normalement que les particules se lient faiblement les unes aux autres, sont relativement faciles à séparer et que la surface totale des agglomérats est identique à la somme des surfaces des particules individuelles les formant (ISO, 2007). Les NP ont une tendance naturelle à s’agglomérer qui est d’autant plus forte que la diffusion produite par le mouvement brownien favorisera les collisions entre elles. Ces phénomènes conduiront à un accroissement du diamètre aérodynamique des particules agrégées ou agglomérées tout en diminuant simultanément le nombre de celles-ci (Maynard et Kuempel, 2005). La vitesse à laquelle ces dernières s’aggloméreront (appelé le taux de coagulation) dépendra de leur concentration en nombre et de leur mobilité qui est inversement proportionnelle à leur diamètre.
La figure 10 montre la relation entre la concentration en nombre de particules dans l’air et le temps requis pour la coagulation d’aérosols monodisperses.
Figure 10 : Relation entre la concentration en nombre de particules et le temps requis pour coaguler
Les particules primaires d’un aérosol adhèreront entre elles pour former des agrégats fortement retenus entre eux par des liaisons ioniques/covalentes et difficiles à disperser à nouveau par des moyens mécaniques (BSI, 2005; NIOSH 2006, 2009b). Preining (1998) a bien démontré de quelle manière la vitesse d’agrégation des particules est reliée à leur taille et à leur concentration dans l’air. Le tableau 5 illustre clairement comment des particules de 10 nm peuvent nécessiter quelques millisecondes pour que 50 % d’entre elles coagulent si leur concentration est de l’ordre du g/m³. En revanche, toujours pour des particules de cette dimension, le temps pour que 50 % d’entre elles coagulent passera à 11 minutes si la concentration est de 1 μg/m3.
Les agrégats pourront se lier entre eux pour former des agglomérats faiblement retenus. Ils tendent à adhérer entre eux à cause des forces de Van der Waals qui agissent uniquement sur de courtes distances, des forces électrostatiques présentes sur les particules de même que de la tension de surface reliée aux liquides adsorbés (BSI, 2005; NIOSH 2006).
Tableau 5 : Temps de coagulation de nanoparticules en fonction de leur taille et de leur concentration
Diamètre des particules (nm)
Temps de demi-vie
1 g/m3 1 mg/m3 1 μg/m3 1 ng/m3
0,5 0,39 μs 0,39 ms 0,39 s 6,5 min
1 2,2 μs 2,20 ms 2,2 s 36,67 min
2 12 μs 12 ms 12 s 3,34 heures
5 0,12 ms 0.12 s 2 min 33,34 heures
10 0,7 ms 0,7 s 11,67 min 8,1 jours
20 3,8 ms 3,8 s 63,34 min 43,98 jours
La coagulation est thermale lorsqu’elle est causée par le mouvement brownien et cinétique lorsqu’elle est causée par une force extérieure comme la gravité, les forces électriques ou les effets aérodynamiques. Au plan terminologique (ISO, 2007), la NP élémentaire, ayant un diamètre de moins de 100 nm, peut former un agglomérat de plus grande dimension désignée par le terme particule nanostructurée alors que les aérosols de NP ou de particules nanostructurées sont désignés sous le vocable de nanoaérosols.
La coagulation de très petites particules (dont celles de 1 à 100 nm) conduira donc à la formation de particules plus grandes, moins mobiles et moins nombreuses pour atteindre un état d’équilibre où leur croissance sera beaucoup plus lente. C’est la zone de croissance appelée mode d’accumulation où les particules croissent plus lentement faisant passer leur diamètre aérodynamique de l’ordre de 100 à 2000 nm.
Plus la particule croît en dimension, plus elle devient lourde par rapport à l’air et plus la gravité aura d’impact sur son déplacement. En fait, certaines particules suspendues dans l’air pourront se déposer (sur le sol, les travailleurs, les équipements, outils, murs, poutres, surface de travail).
C’est le phénomène de sédimentation gravitationnelle. Dans des conditions identiques de turbulence de l’air, plus la particule sera lourde, plus sa vitesse de sédimentation sera rapide.
L’ensemble de ces phénomènes amène à conclure que plus les particules sont petites, plus elles pourront voyager sur de longues distances, leur dimension croissant lentement et leur composition pouvant évoluer dans le temps au gré des rencontres d’autres particules. Elles finiront par être suffisamment lourdes pour sédimenter. Le temps requis pour que la NP croisse en dimension et les distances considérables qu’elle peut franchir avant de sédimenter ne représente aucunement une approche efficace à la maîtrise de sa concentration dans l’air.
Plusieurs procédés sont utilisés pour la préparation de NP sous forme de poudres lesquelles peuvent être remises en suspension dans l’air à différentes étapes du procédé industriel, tels la synthèse, le transfert, le séchage, l’ensachage, le désensachage, les manipulations… Elles peuvent également être remises en suspension lors d’opérations d’entretien et de réparation ou lors d’accidents par renversement ou déversement. Un mauvais entretien des lieux de travail permettra effectivement, par des courants d’air ou encore par des activités humaines ou mécaniques, la remise en suspension de particules déjà déposées.
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La propension des particules à se remettre en suspension est extrêmement complexe. Plusieurs facteurs propres aux NP peuvent l’influencer notamment la grosseur, la forme, la charge électrostatique des particules, leurs caractéristiques de surface et l’humidité ambiante. L’énergie externe (énergie mécanique, agitation, courants d’air, …) pourra jouer un rôle majeur dans la remise en suspension de particules déjà sédimentées. Maynard (2004) (voir section 8.2) a démontré que la remise en suspension de NTC pouvait s’avérer relativement difficile à cause de certaines propriétés inhérentes aux produits de départ alors que la pesée de silice ou de dioxyde de titane nanométriques est rendue très difficile à cause de sa grande facilité à être remise en suspension dans l’air au moindre courant d’air.