La granulométrie à diffraction laser ou granulométrie laser est une technique de mesure de taille des particules qui connait un grand succès depuis quelques années. Limitées par le passé à des domaines précis, les applications de la granulométrie laser dans les industries sont aujourd’hui légion et en font son succès. Mais de quoi s’agit-il exactement ? Quel en est le principe et quels sont ses avantages ?
Granulométrie à diffraction laser : de quoi s’agit-il exactement ?
La granulométrie à diffraction laser est une technique de mesure utilisée pour la caractérisation de matériaux de très petites tailles. Cela sous-entend des matériaux dont les tailles vont de quelques centaines de nanomètres à plusieurs millimètres. Cette technique analytique repose essentiellement sur la diffraction laser, et plus précisément sur la théorie de la diffusion de la lumière.
Il est alors possible, grâce à la granulométrie à diffraction laser, de calculer la distribution granulométrique des particules en considérant un modèle sphérique de volume équivalent. Il faut toutefois dire que la mise en œuvre de la granulométrie laser nécessite une totale maitrise des propriétés optiques de l’élément mesuré et du dispersant. Cette technique analytique qu’est la granulométrie laser connait aujourd’hui un succès évident.
Autrefois utilisée en laboratoire, la granulométrie à diffraction laser s’est démocratisée et ses applications sont désormais diverses. À l’origine de ce succès :
- sa mesure rapide,
- sa large plage dynamique,
- sa répétabilité,
- son rythme de mesure élevé,
- son absence de calibration,
- sa rétroactivité dynamique.
Dans la pratique, comment fonctionne la granulométrie laser ?
Dans la pratique, la granulométrie laser repose essentiellement sur les principes de diffraction et de diffusion de la lumière. Plus clairement et comme évoqué précédemment, elle mesure les distributions granulométriques des particules, en tablant sur la variation angulaire de l’intensité de la lumière diffusée quand un faisceau traverse des particules dispersées selon leurs tailles.
Les grosses particules diffractent en effet la lumière à de petits angles par rapport au faisceau alors que les petites particules proposent des angles de diffraction supérieurs. C’est alors que les données relatives à l’intensité émise selon l’angle sont recueillies et analysées pour déterminer la taille des particules ayant permis d’obtenir l’image de diffraction. L’opération se base sur un modèle optique et sur une théorie spécifique : la théorie de Mie. L’image va se transformer et la taille des particules représente le diamètre de la sphère équivalente pour un volume identique à celui de la particule.
Qu’en est-il des propriétés optiques de l’échantillon ?
Nous soulignions également le fait qu’en granulométrie laser, il est nécessaire de connaître les propriétés optiques de l’échantillon (indice de réfraction et partie imaginaire) et du dispersant (indice de réfraction). En règle générale, les propriétés optiques du dispersant sont rapides à trouver. Le plus souvent, c’est l’eau qui est utilisée comme dispersant. Il n’en demeure pas moins qu’il existe d’autres dispersants. Dans tous les cas, les propriétés optiques des dispersants sont accessibles dans la documentation publiée. De même, les instruments modernes intègrent dans leur grande majorité une base de données précisant les indices des dispersants les plus utilisés.
En absence d’informations sur les propriétés optiques d’un échantillon, il est possible d’en faire une estimation grâce au degré d’ajustement entre les données modélisées et les données réelles disponibles pour l’échantillon. Sans avoir les propriétés optiques de l’échantillon, il est possible d’utiliser une approche plus simple : l’approximation de Fraunhofer. Pour peu que les particules soient supérieures à 60 µm, l’approximation de Fraunhofer garantit des résultats très précis.
Quelles sont les applications de la granulométrie laser ?
La granulométrie laser est une technique qui présente de nombreux avantages. Ce sont d’ailleurs ses atouts qui lui ont permis aujourd’hui d’aller outre une utilisation en laboratoire et d’être utilisée désormais dans plusieurs industries. Cette technique analytique n’implique pas en effet le calibrage. De même, elle permet d’effectuer des centaines de mesures par jour, ce qui est un avantage indéniable, surtout pour les industries. Elle favorise également l’échantillonnage d’un grand nombre de particules pour chaque mesure. Concernant les diverses applications de la granulométrie par diffraction laser dans l’industrie, nous pouvons citer :
- la catalyse, notamment pour la caractérisation des zéolithes,
- l’industrie du ciment,
- l’industrie pétrolière,
- l’industrie agroalimentaire,
- l’industrie des batteries notamment pour caractériser les oxydes métalliques,
- l’industrie de la peinture et des pigments.
Dans ces différentes industries, la granulométrie laser est d’une grande utilité. Les propriétés techniques des matériaux utilisés dans les industries peuvent en effet varier selon plusieurs critères, dont la répartition des grains dans les produits finis. On retient donc l’importance de l’intégration de particules de tailles maitrisées sur les propriétés techniques d’un matériau et par conséquent sur son coût.
Qu’en est-il des appareils utilisés en granulométrie laser ?
L’analyse granulométrique par diffraction laser doit aussi son succès à la qualité et aux performances des appareils qu’elle utilise. Ces appareils permettent de mesurer la taille des particules tant par voie sèche que par voie humide (les deux techniques de mesure en granulométrie laser).
Par exemple, certains granulomètres combinent les méthodes de mesure de la diffusion statique de la lumière et de l’analyse dynamique de l’image. Il va sans dire que ces appareils offrent de meilleures performances et des caractérisations naturellement plus précises. D’autres cumulent deux mécanismes de préparation et d’alimentation d’échantillons sur un même appareil. C’est dire l’importance des granulomètres dans la caractérisation des particules.
Il est toutefois important de préciser que l’efficacité des appareils dépend de l’instrument que vous avez choisi. Il existe aujourd’hui sur le marché différents appareils de granulométrie laser proposés par des marques aussi bien anciennes que nouvelles. La prudence doit donc être de mise pour choisir votre granulomètre. Pour faire un bon choix, considérez la taille et la nature des échantillons que vous allez soumettre à la diffraction laser. Pour cela, vous devez vous assurer du mode de dispersion que vous allez utiliser selon la nature de l’échantillon. Évidemment, les autres fonctionnalités de l’appareil vont aussi compter. Vous pouvez choisir un appareil d’entrée de gamme qui présente des fonctionnalités basiques ou alors retenir un instrument présentant des fonctionnalités plus avancées.
