Généralité sur les latex

Généralité sur les latex 

Historique

Qu’est ce qu’un latex ? Keddie, dans une revue très complète dans ce domaine  , les définit simplement : Un latex est une suspension colloïdale aqueuse de particules de polymère (généralement sphériques). Le nom latex provient du mot latin signifiant liqueur  , il fut adopté au XVIIe siècle pour désigner le suc de certaines plantes comme l’hévéa dont la sève « cahuchu » est le latex naturel. Ces latex étaient utilisés par les mayas et les aztèques pour la confection de balles d’un jeu très populaire chargé de symbolisme religieux, ils étaient en effet considérés comme le « sang du monde » et étaient offerts aux dieux. Ils étaient également utilisés comme préparations médicinales, imperméabilisant pour les vêtements et même pour la confection de bottes rudimentaires  . Les latex synthétiques ont été développés afin de se substituer au caoutchouc naturel pour les pneumatiques pendant la première et la seconde guerre mondiale, périodes pendant lesquelles l’approvisionnement en latex naturel était difficile. Aujourd’hui la majorité des latex est utilisée dans l’industrie des pneumatiques, les adhésifs, les papiers, les textiles, plus récemment dans les applications biomédicales et, dans le cas qui nous intéresse dans cette étude, dans la formulation des revêtements et peintures comme liant. De part leurs nature aqueuse ils constituent un substitut de choix pour remplacer les peintures à base de solvants organiques, nocifs pour l’environnement.

Base sur la synthèse des latex

La synthèse des latex s’effectue par le biais d’une polymérisation en émulsion, mise au point dans les années 20 et 30 en Allemagne et au Etats-Unis  . Cette dernière met en jeux des monomères hydrophobes, un amorceur hydrosoluble, des tensioactifs et de l’eau, bien évidemment le système de départ est une émulsion. La polymérisation par émulsion présente plusieurs avantages : fort taux de polymérisation, formation de polymères de grandes masses moléculaires, pas de solvants organiques et facilité de manipulation du produit final étant donné sa faible viscosité. Enfin cette méthode permet de synthétiser des particules de tailles variées de la dizaine de nanomètres à plusieurs centaines de microns.

La polymérisation par émulsion se divise en trois étapes plus ou moins bien délimitées en fonction du monomère utilisé.
• Etape 1 : Nucléation des particules
Les composants du milieu sont initialement de l’eau, des émulsifiants, des monomères dispersés en gouttelettes (après une étape d’émulsification) et des amorceurs hydrosolubles. La production de radicaux commence par la décomposition de l’amorceur par voie thermique ou chimique ou suite à l’addition d’un activateur. Des particules se forment alors, dont le nombre et la taille vont en augmentant. La nucléation s’arrête lorsque la quasi-totalité du tensioactif introduit couvre la surface des particules formées.
• Etape 2 : Période stationnaire
Au cours de cette étape, le monomère diffuse depuis les gouttelettes au travers de la phase aqueuse vers les particules de polymère formées durant l’étape de nucléation. Cette étape est appelée régime de croissance, la polymérisation se déroule exclusivement dans les particules gonflées de monomères et à vitesse constante. Cette étape s’arrête avec la disparition des gouttelettes et correspond à une conversion de l’ordre de 10 à 40%. Le monomère est principalement situé dans les particules, une faible quantité pouvant subsister dans la phase aqueuse en fonction de sa polarité et de sa solubilité.
• Etape 3 : Fin de polymérisation
La polymérisation se poursuit dans les particules jusqu’à épuisement du monomère. Le nombre de particules étant constant et la quantité de monomère diminuant la vitesse diminue. On peut cependant observer dans certains cas une augmentation brutale de la vitesse en raison de l’effet de gel causé par l’augmentation de la viscosité interne des particules qui entraîne un fort ralentissement de la terminaison des macroradicaux. Cette étape s’étale de 40 à 100% de conversion, la limite inférieure dépendant fortement de la solubilité du monomère dans son polymère.

Stabilité des latex

La stabilité des suspensions colloïdales provient de différentes interactions qui agissent à plus ou moins longue distance.
• Les forces de Van der Waals
Ces forces attractives sont dues à la différence de polarisabilité électronique entre la phase dispersée et la phase dispersante. Les contrastes de polarisabilité se mesurent à l’aide de la constante de Hamaker qui a la dimension d’une énergie. Pour les latex usuels cette constante vaut seulement 1 ou 2 fois l’énergie d’agitation thermique kT. Les forces de Van der Waals ne sont donc significatives que quand les particules sont très proches (en dessous de 10nm).
• Interactions hydrophobes
Les particules de polymère qui composent les latex sont pourvues de nombreux groupes apolaires (CH2, etc…). Les particules ne participant pas aux liaisons hydrogènes, l’insertion de celle-ci dans l’eau a un certain coût en énergie. Lorsque deux particules se rencontrent, l’eau qui les sépare est expulsée, et l’aire d’interface entre l’eau et le solide hydrophobe est réduite ; l’agrégation des particules est donc favorisée. Une fois en contact l’énergie d’adhésion entre deux particules est extrêmement forte, de l’ordre de 1000 kT.
• Interactions d’hydratation
Les particules de latex portent pratiquement toutes, à leur surface, des groupes ionisables (CO2-, Na+) ou polaires (OH, NH2). Ces groupes s’hydratent spontanément. Pour amener deux particules en contact il faut donc expulser les molécules d’eau d’hydratation. Le coût estimé de cette énergie dépend de la densité de groupe et est de l’ordre de 750 kT. Cette variation d’énergie étant comparable aux énergies d’interactions hydrophobes on comprend qu’en fonction de la densité de groupe en surface les particules puissent se coller spontanément ou au contraire résister à l’agrégation.
• Pression osmotique des contre-ions, potentiel DLVO
En solution dans l’eau les particules sont ionisées et chaque particule est entourée d’une atmosphère ionique formée par les contre-ions des groupes de surface. Lorsque les particules se rapprochent, ces atmosphères se recouvrent, et la région de recouvrement a une pression osmotique supérieure à celle du reste de la solution aqueuse. Cette pression s’oppose au recouvrement et crée ainsi une répulsion à distance entre les particules.

Evaporation d’un liquide simple, l’eau pure 

Toute suspension colloïdale laissée à l’air libre subit un phénomène d’évaporation. Celui-ci est responsable de l’augmentation de la concentration de la solution qui permet, une fois toute l’eau évaporée, la formation d’un film continu. Les premières études sur l’évaporation de l’eau remontent au XIXème siècle mais le sujet constitue toujours aujourd’hui un axe important de la recherche. En effet, qu’il s’agisse du séchage de suspensions de tout type ou tout simplement du stockage de l’eau en général, l’évaporation est un facteur économique de premier ordre pour l’industrie et les gouvernements. Nous présenterons en premier lieu une analyse des différents mécanismes de l’évaporation de l’eau pure puis une revue des paramètres les plus influents suivra.

Cinétique de diffusion dans l’air 

L’évaporation se résume à un transport de matière à travers un gaz. Elle provient du fait qu’un liquide tend toujours à être en équilibre avec sa vapeur, avec une dynamique très rapide si l’on regarde les résultats du paragraphe précèdent. Les molécules d’eau vont donc diffuser dans l’espace au-dessus de l’interface liquide/air. Il va ainsi se créer un gradient de concentration de vapeur d’eau juste au-dessus de la surface qui va agir comme une force motrice dans le processus d’évaporation. On définit cette zone comme étant la « couche limite ». On considère, que l’évaporation peut être contrôlée par l’un des processus suivants :
• Tout d’abord la diffusion moléculaire à travers la couche de vapeur stagnante (juste au-dessus du liquide) peut être déterminante sur la vitesse d’évaporation dans une géométrie donnée.
• L’épaisseur de la couche stagnante est gouvernée par l’écoulement d’air au dessus de l’échantillon.
• L’évaporation d’une espèce volatile depuis un mélange de plusieurs composants liquides peut générer un gradient de concentration à l’intérieur du liquide, ce gradient jouera sur la vitesse d’évaporation par l’intermédiaire des transferts de masse à l’intérieur du liquide. Nous ne discuterons pas de ce dernier cas, qui en fait peut se résumer à un effet de pression partielle .

Table des matières

Introduction
Chapitre I – Séchage de film de latex
1.1 – Généralité sur les latex
1.1.1 – Historique
1.1.2 – Base sur la synthèse des latex
1.1.3 – Stabilité des latex
1.1.4 – Mécanisme de formation d’un film de latex
1.2 – Temps ouvert et système bidisperse 15
1.2.1 – Le temps ouvert
1.2.2 – Floculation par déplétion
1.2.3 – Séchage et déplétion : Question centrale de la thèse
Bibliographie
Chapitre II – Evaporation et séchage
2.1 – Evaporation d’un liquide simple, l’eau pure
2.1.1 – Cinétique de transfert à l’interface liquide/gaz
2.1.2 – Cinétique de diffusion dans l’air
2.1.3 – Influence de la circulation d’air
2.1.4 – Facteurs influençant la vitesse d’évaporation
2.2 – Mécanismes de séchage d’un fluide complexe
2.2.1 – Séchage normal
2.2.2 – Séchage latéral
2.2.3 – Séchage normal/latéral ?
Conclusion
Bibliographie
Chapitre III – Présentation du système
3.1 – Caractéristique des particules
3.2 – Diagramme de phase
3.2.1 – Diagramme de phase expérimental
3.2.2 – Diagramme de phase théorique
3.3 – Préparation des films
Bibliographie
Chapitre IV – Séchage du Système, échelle macroscopique
4.1 – Cellule de séchage
4.1.1 – Description de la cellule
4.1.2 – calibration de la cellule de séchage à partir d’un liquide pur
4.1.3 – Réflexions sur les vitesses d’évaporation des films de latex
4.2 – Morphologie macroscopique des films de latex
4.2.1 – Aspect visuel des films après séchage
4.2.2 – Observation du séchage
Conclusion
Bibliographie
Chapitre V – Séchage du système, échelle microscopique
5.1 – Effet du surfactant en surface
5.2 – Morphologie microscopique des films de latex
5.2.1 – Systèmes à surfaces riches en petites particules dures
Conclusion

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