Agglomération : agglomérateurs à tambour

Les processus d'agglomération sont omniprésents dans l'industrie des procédés, que ce soit une agglomération désirée par le biais d'un procédé, ou une agglomération non désirée comme par exemple la formation de grumeaux. Cette page vise à expliquer quels sont les phénomènes physiques qui causent l'agglomération des particules de poudre, car une telle compréhension est essentielle pour assurer que l'usine fonctionne correctement des procédés tels que les lits fluidisés, les compacteurs à rouleaux, les presses à comprimer, l'extrusion ou la frittage.

1. Qu'est-ce que l'agglomération de particules de poudre ?

L'agglomération est l'action de rassembler des particules solides séparées en un conglomérat, qui est une masse de particules qui adhèrent les unes aux autres.

Le processus d'agglomération peut être réalisé grâce à différentes technologies d'agglomération, les plus courantes sont les suivantes :

• Agglomérateurs à disque
• Mélangeurs à haute cisaillement
• Tambours
• Agglomérateurs à lit fluidisé
• Presses à comprimer
• Compacteurs à rouleaux
• Extrusion
• Frittage

Chacune de ces technologies joue sur un mécanisme différent pour assurer que les particules solides forment un solide aggloméré suffisamment solide pour répondre aux propriétés du produit cible.

2. Mécanismes de liaison d'agglomération

L'agglomération de particules solides peut être due à 5 catégories différentes de mécanismes de liaison, pour un processus d'agglomération spécifique, un ou plusieurs de ces mécanismes peuvent être en jeu.

2.1 Ponts solides

Les ponts solides sont les liens les plus solides qui peuvent être créés entre les particules pendant l'agglomération car ils deviennent directement liés par un solide.

Les ponts solides peuvent être créés par les phénomènes suivants :

• Frittage (les particules, suffisamment chauffées, se "fondent")
• Fusion partielle des surfaces de contact entre les particules (différent du principe de frittage décrit ci-dessus)
• Réactions chimiques
• Recristallisation, qui se produit souvent lorsque l'eau est présente, dissout le solide dans certaines conditions, puis est évaporée. Cela peut également être fait en utilisant une solution avec un matériau colloèdal pour mouiller les particules de solides et qui est ensuite évaporé, laissant les particules colloèdales créer des ponts solides.

2.2 Forces d'adhésion et de cohésion

Ces forces se produisent typiquement lorsque une couche d'une substance donnée est entre 2 particules.

C'est le mécanisme d'agglomération utilisé par les liants liquides visqueux qui viennent entre les particules et les collent ensemble. Le liant est ajouté pendant le processus d'agglomération, en fonction de la quantité ajoutée, il peut même se transformer en un liant matriciel, ce qui signifie que tout l'espace entre les particules, et non seulement une couche, est occupé par le liant.

Les particules peuvent également adsorber des molécules à leur surface. Cette couche très fine, pour des particules assez petites, peut jouer un rôle de 2 couches d'adsorption sur 2 particules qui peuvent attirer et maintenir ensemble les 2 particules hôtes.

2.3 Tension de surface et forces capillaires : ponts liquides

La présence d'un liquide, le plus souvent de l'eau, est l'une des principales causes d'agglomération des particules. L'eau à la surface des particules solides peut créer des ponts liquides grâce à l'eau libre, ou à la condensation capillaire. Lorsque l'eau remplit les pores des solides jusqu'à la surface, une pression capillaire négative à l'intérieur du pore peut se développer, créant une force à l'extrémité du pont liquide et maintenant les particules ensemble.

Ces ponts liquides se forment au "point de contact" ou point de coordination entre 2 particules.

2.4 Forces d'attraction entre solides

Ces forces sont significatives à une échelle très petite, entre les molécules, et peuvent être élevées à cette échelle, mais dès que la distance entre les particules augmente, ces forces deviennent négligeables par rapport aux autres mécanismes mentionnés dans cette page. Comme elles agissent à une distance très courte entre les particules, elles sont également principalement significatives pour des particules très fines (quelques dizaines de microns, ou même des nanoparticules).

Les forces d'attraction peuvent être de nature moléculaire, électrique ou magnétique. Les forces impliquées sont les suivantes :

• Forces de Van der Waals
• Forces de valence
• Associations non valentes (liens hydrogène par exemple)
• Forces électrostatiques
• Forces magnétiques

2.5 Verrouillage

Le phénomène de verrouillage, qui aide les particules à rester ensemble dans un conglomérat, est lié à la forme des particules et à la façon dont elles bloquent mécaniquement le mouvement les unes des autres au niveau des particules. Par exemple, les fibres, les particules longues peuvent jouer un rôle pour verrouiller avec d'autres particules et restreindre leur mouvement. C'est également le cas dans la compression de poudre où certaines particules peuvent se briser, se déformer et "s'enrouler" autour d'autres particules, renforçant le lien entre elles.

Source

[Pietsch] Processus d'agglomération (Phénomènes, Technologies, Équipements), Pietsch, Wiley-VCH, 2004