Le granulomètre laser est un appareil d’analyse de la taille des particules utilisé en laboratoire et en industrie pour mesurer précisément la distribution granulométrique des poudres et suspensions.
La distribution de taille des particules, utilisée comme paramètre pour caractériser une poudre ou une dispersion, joue un rôle central dans de nombreuses applications. Parmi ces domaines, on trouve les matériaux de construction (sables, ciments), les sols et sédiments, les céramiques, les pigments colorés, les poudres métalliques, les émulsions et bien d'autres encore.
Le champ d'applications ne cesse de s'étendre, ce qui entraîne une augmentation des exigences concernant les méthodes de mesure, notamment en matière de plage de taille analysée, de temps de mesure et de reproductibilité.
Un défi important réside dans la détection précise et reproductible des particules :
Les appareils modernes de diffraction laser, tels que le Bettersizer S3 Plus, répondent à ces défis grâce à :
En diffusion statique de la lumière, le laser (lumière monochromatique et uniforme) interagit avec les particules qui doivent être caractérisées en termes de granulométrie. Selon la taille des particules, les ondes lumineuses sont diffusées par celles-ci d’une manière caractéristique : plus les particules sont grandes, plus la diffusion se porte vers l'avant. Pour des particules plus petites d’environ 100 nm, la diffusion de la lumiére est d'intensité égale et multi-directionelle.
L’intensité de la lumière diffusée est déterminée par des détecteurs fixes en fonction de l’angle (distribution de l’intensité de la diffusion). Les systèmes modernes de diffraction laser tels que le Bettersizer S3 Plus garantissent la détermination des intensités de diffusion sur une plage angulaire continue de 0,02 à 165°, c’est-à-dire en diffusion frontale, latérale et en rétro-diffusion.
Cela est rendu possible grâce à une conception à double lentille et à un système optique à incidence oblique (technologie DLOIOS) : des lentilles de Fourier (lentilles collectrices) sont positionnées entre le laser et les particules, ainsi qu’entre les particules et les détecteurs. Les particules interagissent avec la lumière à l’intérieur d’un faisceau laser parallèle.
Cette configuration permet de détecter la lumière diffusée même à de très grands angles (diffusion arrière), ce qui rend possible la mesure précise de particules de très petite taille.
Grâce à la technologie DLOIOS, les limitations des configurations conventionnelles sont évitées. Ainsi, aucune sélection préalable de lentilles adaptées à la taille recherchée n’est nécessaire (contrairement au système optique dit de Fourier), et aucune erreur due à la distance particules-détecteurs ne survient lorsque les particules ne sont pas dans un même plan (contrairement au système optique dit de Fourier inverse).
Pour calculer la distribution granulométrique à partir des spectres de diffusion mesurés, on applique soit la théorie de Fraunhofer, soit la théorie de Mie. La théorie de Fraunhofer repose sur l’hypothèse de particules opaques et sphériques : le motif de diffusion correspond à une fine plaque opaque bidimensionnelle – la diffraction n’apparaît qu’au niveau des bords. Par conséquent, aucune constante optique supplémentaire du matériau n’est nécessaire pour ce calcul. Cependant, cette théorie n’est adaptée qu’aux tailles de particules moyennes à partir d’environ 5 µm.
En revanche, la théorie de Mie repose sur l’hypothèse de particules pratiquement translucides et sphériques, ce qui signifie que la lumière traverse la matière et est diffusée de manière élastique par les atomes de la particule. La connaissance de l’indice de réfraction complexe des particules ainsi que du liquide est nécessaire. Cette théorie est applicable pour des particules de toutes tailles.
La figure suivante montre un exemple de distribution granulométrique volumique d’une poudre de carbonate de calcium – mesurée avec un Bettersizer S3 Plus.
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