Les différences en termes de comportement mécanique observés entre les échantillons issus des trois différents traitements de poudre indiquent une diversité de conformations des bouts de chaînes à la surface des particules. C’est pourquoi, une étude a été menée afin de déterminer les paramètres rhéologiques des différentes poudres. Le but de ces essais est de mettre en évidence des différences de comportements rhéologiques entre les poudres. Des éléments essentiels quant à la conformation des chaînes à la surface des particules pourraient être extraits en comparant les diffé-rents traitements.
Deux types d’essais ont été réalisés : les essais dits de stabilité et les essais de comportement à la compaction comprenant les tests de consolidation et de compressibilité comme introduit dans la section II.C.2. Deux poudres ont été comparées : la poudre issue du cas A (sans traitement) et celle issue du cas B (recuit sous vide à 200 °C pendant 12 h). Ces deux cas ont été sélectionnés pour les tests rhéologiques puisque leurs comportements mécaniques sont les plus éloignés.
Tests de stabilité
Les tests de stabilité permettent de déterminer trois paramètres rhéologiques :
L’indice de stabilité ou « Stability Index » (SI) qui donne une indication sur la stabilité de la poudre étudiée et permet de s’assurer que les particules ne s’agglomèrent ou ne se ségrégent après le passage de l’arbre d’agitation,
L’énergie d’écoulement ou « Basic Flowability Energy » (BFE) est l’énergie nécessaire pour déplacer la poudre dans la phase de descente de l’arbre d’agitation,
L’énergie spécifique ou « Specific Energy » (SE) est l’énergie nécessaire pour déplacer la poudre dans la phase de montée de l’arbre d’agitation.
L’ensemble des valeurs de ces paramètres pour les deux poudres est regroupé dans le Tableau IV-3.
Paramètres Cas A Cas B
SI – Stability Index 1,05 ± 0,06 1,11 ± 0,06
BFE - Basic Flowability Energy 66 ± 1 [mJ] 76 ± 1 [mJ]
SE – Specific Energy 6,7 ± 0,2 [mJ/g] 6,4 ± 0,1 [mJ/g]
Tableau IV-3 : Paramètres rhéologiques des tests de stabilité des poudres issues des cas A et B.
Les indices de stabilité (SI), tous deux proches de 1, montrent que les poudres étudiées sont stables, c’est-à-dire, sans phénomènes d’agglomération, de ségrégation ou d’attrition tout au long du test. L’énergie BFE est environ 15 % plus élevée dans le cas B signifiant que l’écoulement des particules est plus difficile pour cette poudre. La compaction de la poudre joue un rôle important puisqu’elle est déterminée lors de la descente de l’arbre d’agitation qui comprime les particules. Les phénomènes de friction sont favorisés lorsque les particules sont très proches les unes des autres, c’est-à-dire, lorsque le réarrangement sous application de la pression est important. L’énergie d’écoulement (BFE) sera alors élevée comme pour le cas B.
L’énergie spécifique donne une réelle idée de la cohésion entre des particules non soumises à des contraintes mécaniques. Contrairement à la mesure du BFE où la compression peut contribuer de manière significative à l'énergie de l’écoulement mesurée, la valeur de SE est déterminée lors de la phase de remontée de l’arbre d’agitation ; il n’y a alors plus de contribution de la compression. La poudre issue du cas A (sans traitement) possède une valeur supérieure de SE : 6,7 mJ·g-1 et seulement 6,4 mJ·g-1 pour le cas B. En général, la valeur de SE dépend fortement de la morphologie des particules mais des analyses MEB des deux types de poudres n’ont révélé aucune distinction de formes ou de distribution de tailles des particules. La différence des valeurs de SE pourrait donc provenir d’un nombre différent de bouts de chaînes disponibles à la surface des particules. Pour le cas A, les bouts de chaînes polaires (groupements OH) peuvent interagir avec ceux des autres particules en formant des liaisons de type hydrogène. Ces liaisons augmenteraient les interactions physiques entre les par-ticules. Pour le cas B, toujours selon l’hypothèse avancée dans la partie IV.A.4.a, un nombre moins conséquent de bouts de chaînes serait disponible à la surface. Par conséquent, il y aurait moins d’in-teractions entre les particules se traduisant par une plus faible valeur de SE.
Comportement à la compaction
Toujours dans le but de mettre en évidence des différences entre les deux poudres, des me-sures de densité ont également été effectuées à l’aide du rhéomètre à poudre. Trois situations ont été considérées :
- Après conditionnement (CBD), - Après 50 tapotages (BD tap),
Les valeurs obtenues dans les deux cas de figure retenus pour chaque situation sont regroupées dans le Tableau IV-4 ci-dessous. L’énergie CE (« Consolidated flow Energy ») est l’énergie nécessaire pour déplacer la poudre lors de l’agitation après les 50 tapotages.
Paramètres Cas A Cas B
Densité CBD 0,32 [g/mL] 0,38 [g/mL]
Densité BD tap 0,40 [g/mL] 0,48 [g/mL]
Densité CPS 15 kPa 1,41 [g/mL] 1,70 [g/mL]
CE - Consolidated flow Energy 365 ± 72 [mJ] 447 ± 74 [mJ]
Tableau IV-4 : Paramètres rhéologiques du comportement à la compaction des poudres issues des cas A et B.
De manière générale, les deux poudres présentent des évolutions de densités similaires. Assez logiquement, celle après conditionnement (CBD) est toujours la plus faible quelle que soit la poudre considérée. La séquence de tapotages permet d’améliorer la densité de 30 % tandis que l’application d’une pression joue un rôle très important avec des densités quatre à cinq fois supérieure à celle ob-tenues après conditionnement (CBD). Si l’on compare maintenant les valeurs obob-tenues pour les deux poudres, des différences notables apparaissent avec des densités environ 20 % supérieures pour la poudre traitée (cas B) dans les trois situations considérées. Les particules de poudres issues du cas B présentent donc une meilleure capacité à s’auto-organiser. Selon l’hypothèse initiale, ces résultats s’expliquent par le fait que les bouts de chaînes sont repliés vers l'intérieur de la particule et donc aucune interaction de type hydrogène ne gêne le réarrangement entre les particules. Ces résultats sont en accord avec la comparaison des valeurs du BFE des deux poudres. La Figure IV.11 schématise le comportement des poudres issues des cas A et B lors des différents tests de comportement à la compaction au rhéomètre à poudre. Avec les bouts de chaînes orientés vers l’extérieur des particules et les interactions hydrogène, les particules du cas A occupent un volume plus important que celles du cas B, conduisant donc à une densité plus faible.
Figure IV.11 : Schémas représentant les poudres issues du cas 1 et du cas 2 lors des différentes prises de densité au rhéomètre à poudre.
La valeur de CE, est, comme attendu, bien plus élevée que l’énergie BFE. D’après le Tableau IV-4, la valeur de CE est plus élevée de 22 % pour le cas B, c’est-à-dire que plus d'énergie doit être
apportée au système pour pouvoir déplacer la poudre traitée thermiquement. Lorsque les particules d’une poudre sont bien réarrangées, ce qui semble se vérifier pour le cas B comme illustré sur la Figure IV.11, la friction entre les particules augmente avec l’application de la pression et l’énergie d’écoule-ment sera alors élevée. La conclusion est d’ailleurs la même qu’à l’issue des mesures de BFE.