Agiter avant utilisation – La stabilité et le potentiel zêta

La sédimentation est un phénomène bien connu par lequel des particules solides tombent au fond d’un liquide sous l’effet de la gravité. Des exemples bien connus de ces mélanges ou suspensions liquides-solides sont les peintures, les ciments, les pâtes pour applications cosmétiques et pharmaceutiques, les encres, les mortiers architecturaux, les solutions de chaux, etc. Dans ces produits, les particules solides sont assez grosses et peuvent être redistribuées de manière homogène par le fameux « agiter avant utilisation ».

On parle de dispersions pour des solutions avec des particules d’environ 1 nm à 200 nm dans un liquide. Les dispersions homogènes de nanoparticules d’oxyde métallique dans une solution aqueuse sont communément appelées nanofluides. La stabilité des nanofluides est extrêmement importante pour leur application dans divers domaines, tels que le revêtement, l’administration de médicaments, le transfert de chaleur, les applications biomédicales et la lubrification. Pour les applications de purification de l’eau, on ajoute des substances qui provoquent la coagulation ou la floculation et la sédimentation.

Dans ce cas, « l’agitation avant utilisation » n’est généralement plus suffisante car la stabilité dépend de divers facteurs tels que la concentration des particules, le pH de la dispersion, la taille des particules, la présence de tensioactifs, la technique de production et la charge des particules.

Détermination de la stabilité des suspensions et des dispersions

La mesure du potentiel zêta est une technique bien connue et généralement acceptée pour déterminer la stabilité des dispersions et des suspensions. Le potentiel zêta est une mesure des charges présentes sur une particule. Ces charges sont responsables du fait que les particules se repoussent les unes les autres, ne coagulent pas et finissent par sédimenter. Si le potentiel zêta est trop faible, ou si les particules sont trop proches les unes des autres en raison d’une concentration élevée, il y a à nouveau un risque de sédimentation. Souvent, les particules forment des agglomérats et ne peuvent être remises en suspension sous forme de particules séparées par mélange ou agitation.

Lors d’une mesure du potentiel zêta, les particules chargées sont amenées dans un champ électrique qui les fait se déplacer vers l’un des pôles chargés. La vitesse ou la mobilité avec laquelle cela se produit est une mesure de la charge des particules.

Optique ou électro-acoustique ?

La vitesse de déplacement des particules peut être mesurée par une technique optique regardant à travers l’échantillon ou par un signal réfléchi provenant de l’échantillon. Ces techniques conviennent très bien pour mesurer des suspensions à faible concentration, mais elles sont insuffisantes lorsque la concentration dépasse 0,1 %.

La raison en est que la source de lumière/laser ne pénètre plus l’échantillon, ou que le signal réfléchi est en fait un complexe de réflexions multiples de signaux sur des particules.

Pour les matériaux à forte concentration, comme ceux mentionnés dans l’introduction ou les nanofluides, la technique optique est insuffisante. La dilution de l’échantillon n’est pas une option ici, car cela modifie la composition de la suspension et aussi la concentration des particules et des agents de surface, le pH et la distance entre les particules.

Ici, cependant, la mesure du potentiel zêta acoustique peut être utilisée. Les particules sont placées dans un champ électrique oscillant rapidement, ce qui les fait bouger d’avant en arrière. L’onde ultrasonore résultante dans le liquide, qui peut facilement être comparée à une pierre lancée dans l’eau, est transmise au détecteur, et l’amplitude de cette onde est une mesure de la mobilité et du potentiel zêta des particules. La forte concentration et la haute densité typiques de ces matériaux entraîneront toutes deux un signal plus élevé.

France Scientifique distribue les analyseurs électro-acoustiques ZetaProbe pour la détermination du potentiel zêta, et AcoustoSizer de Colloidal Dynamics pour la détermination simultanée du potentiel zêta et de la distribution granulométrique.

L’ analyseur du potentiel zêta comme installation pilote

La détermination électro-acoustique du potentiel zêta s’effectue dans un bécher ou un porte-échantillon fortement agité. Cela empêche la sédimentation des particules de haute densité. Il est également possible d’ajouter des agents tensioactifs ou d’autres additifs pendant la mesure, de réguler la température et de mesurer et ajuster simultanément des paramètres tels que la conductivité et le pH, jusqu’à ce qu’une formulation stable avec le potentiel zêta souhaité soit atteinte. Ici, les analyseurs de Colloidal Dynamics sont utilisés comme de véritables installations pilotes pour le développement de produits et le contrôle de la qualité.

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