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Les agents propulseurs pour les générateurs d’aérosols des produits PT/MT

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Écrit par Administrator
Dimanche, 01 Mars 2009 10:51

Mars 2009 - Partie 1

1- Introduction

Les générateurs d’aérosols sont omniprésents dans la vie quotidienne aussi bien que dans l’industrie en raison de leur commodité d'utilisation.

Un générateur d’aérosols est constitué : d’un boîtier, d’une valve montée au centre de la coupelle, celle-ci étant sertie sur le boîtier, d’un bouton poussoir (buse de pulvérisation), d’un tube plongeur, du produit actif, de l’agent propulseur, éventuellement d’une bille pour faciliter le mélange (l’homogénéisation) du produit actif par agitation du générateur d’aérosols.

Le produit actif est en fait le produit à propulser : pénétrant, révélateur, dégraissant, peinture blanche de contraste, fourni en vrac au conditionneur (qui est également appelé : emplisseur) de générateurs d’aérosols.

2- Types d'agents propulseurs

Les agents propulseurs se répartissent en deux catégories :

• Les gaz comprimés : L’azote (N2), le dioxyde de carbone (CO2), le protoxyde d’azote ou gaz hilarant (N2O).

Les gaz liquéfiés : Le gaz de pétrole liquéfié (GPL) constitué essentiellement de butane/propane et parfois d’isobutane, le diméthyléther (DME), les chlorofluorocarbures (CFC), les hydrofluorocarbures (HFC), les hydrochlorofluorocarbures (HCFC) tel que le chlorodifluorométhane (CHClF2) agent de réfrigération qui fut parfois pourtant utilisé dans les années 70 comme agent propulseur.

3- Rappel historique

1920 : Monsieur Schmauss invente le générateur d’aérosols.
1929 : Erik Rotheim, de Norvège, obtient le premier brevet pour le générateur d’aérosols.
1941 : Premier insecticide en générateur d’aérosols.

Pendant des décennies, jusque dans les années 80, la famille d’agents propulseurs la plus largement utilisée était les chlorofluorocarbures (CFC). Il s’agissait essentiellement d’associations de CFC 11 (trichlorofluorométhane) et de CFC 12 (dichlorodifluorométhane).

Leurs caractéristiques très spécifiques ont largement contribué à leur succès :

Ininflammabilité.
Inertie chimique.
Faible toxicité.
Liquéfaction aisée.
Bon marché.
Aucune réaction avec les produits actifs.
Aucune action néfaste vis-à-vis des matériaux.
Pression constante de pulvérisation, en raison d’un équilibre entre les phases gazeuse et liquide.
Gamme idéale de pressions disponibles (100-350 kPa (1 à 3,5 bar) (*)
etc.

Le 1er janvier 1989, entra en vigueur le Protocole de Montréal qui élimina la production et l’utilisation d'un certain nombre de substances suspectées d’être responsables de la destruction de la couche stratosphérique d'ozone ; les CFC figuraient parmi les substances chimiques visées.

Le plus grand trou de la couche d’ozone
enregistré en septembre 2006 au-dessus de l’Antarctique.
(document Wikipedia)

Si tout va bien, il est prévu que la couche d'ozone reviendrait à son état de 1980 vers 2055-2065 !

4- Le remplacement des CFC

Aucun autre agent propulseur ne présente les qualités des CFC.

Dans les années 70, en raison des exigences rigoureuse de l'industrie nucléaire française concernant la teneur en fluor et en chlore de tous les produits, il devint évident que les CFC n'étaient plus les agents propulseurs de choix. Deux des principaux fournisseurs de produits de ressuage choisirent un mélange de butane/propane (veuillez vous reporter au Tableau de l’Histoire du Ressuage par Pierre CHEMIN et Patrick DUBOSC).

À la même époque en France, les constructeurs aéronautiques comme l’énergie nucléaire exigèrent des générateurs d’aérosols exempts de chlore et de fluor.

Les autres industries qui n’étaient pas concernées par les teneurs en chlore et fluor n’étaient pas satisfaites de ces nouveaux générateurs d’aérosols.

En effet, certains utilisateurs étaient franchement hostiles, voire même effrayés, à l’idée d’utiliser des agents propulseurs extrêmement inflammables.

Parmi eux, le DME qui fut utilisé essentiellement en Hollande, mais sans succès. Sa tension de vapeur est de 510 kPa (5,1 bar) à 20°C.

Certains essais furent effectués avec des agents propulseurs ininflammables : l’azote, le protoxyde d’azote et le dioxyde de carbone… qui connurent plus ou moins de succès !

Le protoxyde d’azote est classé comme polluant par le protocole de KYOTO. C'est le quatrième plus important gaz à effet de serre à contribuer au réchauffement de la planète, la vapeur d'eau (H2O), le dioxyde de carbone (CO2) et le méthane (CH4) arrivent respectivement en première, deuxième et troisième position.

5- Comment se comportent les agents propulseurs ?

Là encore il y a une différence fondamentale entre les gaz comprimés et les gaz liquéfiés.

5.1- Les gaz comprimés

Un gaz comprimé n’est pratiquement pas soluble dans le produit actif. Il se trouve au-dessus du niveau du produit actif et la seule manière d’accroître la quantité d’agent propulseur juste pour être "certain" que l’utilisateur pourra vider complètement le contenu du générateur d’aérosols est d’augmenter la pression (le volume au-dessus du produit actif étant déterminé) dans certaines limites.

Le gaz comprimé agit comme un piston sur le produit et de ce fait la pulvérisation est du type ‘‘sans air’’. Le produit actif sort du générateur d’aérosols sous forme d’un jet créant peu de nébulisation dans l’air. En choisissant un cône large de diffusion, il est possible d’obtenir une pulvérisation plus fine.

Pour le CO2, les pressions sont généralement comprises entre 400 kPa (4 bar) et 700 kPa (7 bar) à 20°C.
Pour l’azote, la pression atteint 800 kPa (8 bar). L’azote est introduit dans le boîtier selon le procédé ‘‘impact gasing’’ qui permet d’introduire le gaz très rapidement par détente adiabatique.

Avec les gaz comprimés, la pression chute radicalement jusqu’à pratiquement la pression atmosphérique lors de l’utilisation du générateur d’aérosols. Lorsqu’il ne reste pratiquement plus de gaz, le générateur d’aérosols finit par ‘‘crachoter’’.

En effet, la pression interne du générateur d’aérosols, propulsé par un gaz comprimé, est régie en première approximation par la loi de MARIOTTE, qui s’applique habituellement aux gaz parfaits.

P x V = Constante

À une température donnée.

Expression dans laquelle P est la pression et V le volume.

Une très faible quantité est introduit dans le générateur d’aérosols : de l’ordre de 7 à 11 grammes.

Un des problèmes avec les gaz comprimés est que les générateurs d’aérosols doivent être utilisés à la verticale ou presque. Les pencher de trop, ou pire, les utiliser tête en bas, fait que le gaz s’échappe à toute vitesse. Très souvent, il ne reste plus suffisamment de gaz dans le générateur d’aérosols pour le vider.

5.2- Les gaz liquéfiés

Le coefficient d'expansion des gaz est une donnée très importante pour comprendre le fonctionnement des générateurs d’aérosols, et surtout bien comprendre la différence fondamentale entre gaz liquéfiés et gaz comprimés.

Le coefficient d'expansion est toujours mesuré à une température donnée, par exemple à 20°C. Comme vous le savez, les liquides et les gaz se dilatent avec la température, les gaz plus que les liquides.

Ce coefficient est déterminé en mesurant le volume d’une masse donnée de gaz à la pression atmosphérique standard (101 325 Pa ou 1 013,25 mbar ou 1,01325 bar) et en le divisant par le volume de la même masse du même gaz quand il est comprimé ou liquéfié.

Autrement dit :

Pour un gaz comprimé :

Coefficient d'expansion = Volume occupé par une masse donnée de gaz à la pression atmosphérique standard / Volume occupé par la même masse de ce gaz comprimé

Pour un gaz liquéfié :

Coefficient d'expansion = Volume occupé par une masse de gaz à la pression atmosphérique standard / Volume occupé par la même masse de ce gaz liquéfié

Nous pouvons supposer que les gaz utilisés comme agents propulseurs sont des "gaz parfaits" selon la loi de MARIOTTE, en raison des "basses" pressions utilisées. Si un gaz est comprimé à 700 kPa (7 bar), lorsqu’il revient à la pression atmosphérique, cela se fera dans le rapport de 7.

Un gaz liquéfié, d’autre part, ne suit pas de la loi de Mariotte, puisqu'il y a eu changement de phase (de gazeuse à liquide). Lorsque le liquide s'évapore, la vapeur occupe un volume TRES SUPERIEUR au volume du liquide. Par exemple, pour le butane, le coefficient d'expansion est de 239, et de 311 pour le propane. Bien que nous n’ayons pas trouvé la valeur pour le DME, nous pouvons l'estimer proche de 500 ! Cela veut dire que le gaz liquéfié, dissout dans le produit actif (n’oubliez pas ce point), quand il expulsé du générateur d’aérosols par la valve, arrive immédiatement à l’équilibre avec la pression atmosphérique. Il devient gazeux instantanément et occupe un volume de plusieurs centaines de fois supérieur à celui qu'il occupait une fraction de seconde plus tôt. Un effet que nous appelons "atomisation" changera radicalement la manière dont sont appliqués les produits actifs.

Cet effet est ABSOLUMENT nécessaire pour pulvériser les produits ayant une "teneur en solides" élevée, comme par exemple les révélateurs à base de solvant (humides non aqueux) ou les peintures blanches de contraste- pour ne parler que des applications en CND.

Utiliser un gaz liquéfié permet d’avoir une pression constante de la première à la toute dernière utilisation du générateur d’aérosols. Cela est dû à l’équilibre entre les phases liquide et gazeuse à une température donnée. Une faible partie du gaz liquéfié s’évapore lorsque du gaz propulseur est utilisé. La température externe est une donnée importante : si elle augmente, la pression augmente. Si elle diminue, la pression dans le générateur d’aérosols diminue.

La pression des gaz liquéfiés peut être ajustée aux besoins spécifiques TECHNIQUES (certains produits peuvent nécessiter des pressions plus élevées) par les teneurs relatives respectives en butane et propane : plus il y a de propane, plus la pression est élevée.

L’atomisation du produit a lieu lorsque le produit est éjecté au niveau de la buse de pulvérisation. Le gaz dissous dans le produit au contact de l'environnement extérieur (à la pression atmosphérique) va brutalement s’expanser. Le produit actif propulsé "explose" en quelque sorte et il génère des gouttelettes radicalement petites appelées "aérosol".

Les gaz liquéfiés étant solubles dans les produits, il est très facile d’avoir une grande quantité d’agent propulseur dans le générateur d’aérosols.

Avec un gaz liquéfié comme agent propulseur, il y a une pression constante qui résulte de l'équilibre entre les pressions des phases liquides et gazeuses. Pour cela une partie de l’agent propulseur liquéfié s’évapore dans le boîtier et passe à l’état gazeux. La température des générateurs d’aérosols est une donnée importante: si la température augmente la pression interne augmente, et d’autre part si la température diminue, il en est de même pour la pression interne.

Lorsqu’on utilise des générateurs d’aérosols propulsés avec des gaz liquéfiés pendant une longue période, on peut remarquer que la température du générateur d’aérosols baisse. Cela résulte de l’évaporation du gaz liquéfié qui absorbe une certaine quantité de chaleur (chaleur latente). La pression interne du générateur d’aérosols peut baisser suffisamment pour affecter les caractéristiques de pulvérisation.

Par temps froids, la pression dans un générateur d’aérosols propulsé par  un gaz liquéfié peut baisser plus rapidement qu’avec des gaz comprimés. C’est la raison pour laquelle il est préférable de conserver les générateurs d’aérosols à une température minimale de +10°C, cela étant facile à réaliser en gardant les générateur d’aérosols sur soi, sous ses vêtements de travail par exemple !

(*) bar ayant pour symbole bar, il reste invariable.


Avril 2009 - Partie 2

6- Volume/poids net, capacité, marge de remplissage des générateurs d'aérosols

La masse d'agent propulseur dans chaque générateur d'aérosols dépend de l'agent propulseur : quelques grammes dans le cas des gaz comprimés, plusieurs dizaines de grammes ou même beaucoup plus dans le cas des gaz liquéfiés.

Le volume net est la totalité de la phase liquide comprenant celui du produit actif et celui de l'agent propulseur liquide.

Le format des boîtiers est normalisé, par exemple : 510 ml, 650 ml. Il s'agit de leur capacité, c'est-à-dire le volume intérieur des boitiers. Pour chaque format, il existe une marge de remplissage à respecter. Un boîtier de 650 ml ne peut pas contenir un volume net de plus de 500 ml. Un boîtier de 510 ml ne peut pas être rempli à plus de 400 ml ; soit en gros 75 %.

Certains fournisseurs sans scrupules mentionnent sur leur tarif la capacité du générateur d'aérosols au lieu de leur volume net, donnant l'impression qu'ils sont moins chers que les concurrents ! Ne vous faites pas piéger !

Considérons un produit actif en générateur d'aérosols de 510 ml :

En utilisant le GPL, il y a environ 250 ml de produit actif et environ 150 ml d'agent propulseur.
En utilisant le CO2, il y a 400 ml de produit actif et 0 ml d'agent propulseur.

Le problème principal avec les générateurs d'aérosols propulsés au CO2, comme mentionné ci-dessus, est que pendant la pulvérisation, le générateur d'aérosols doit être tenu verticalement pour éviter la perte de propulseur. Sinon en quelques secondes seulement, tout le gaz se sera échappé - - et il n'y aura plus de gaz pour propulser la quantité restante de produit actif.

Les auteurs ont reçu des plaintes de certains clients parce qu'il n'y avait plus de gaz alors qu'il restait environ 50 ml de produit actif dans le générateur d'aérosols - - Non récupérables ! C'était une tâche presque impossible de faire comprendre aux utilisateurs que, si 50 ml étaient perdus, ils avaient utilisé 350 ml, tandis que s'ils avaient utilisé un générateur d'aérosols propulsé au GPL, ils n'en auraient eu que 250 ml tout au plus !

Le poids net est le poids total du produit actif et du poids de l'agent propulseur (qu'il s'agisse d'un gaz comprimé ou d'un gaz liquéfié).

Lorsque les CFC furent remplacés par le GPL, les utilisateurs eurent en main des générateurs d'aérosols bien moins lourds : tous imaginèrent que les fournisseurs mettaient moins de produit actif dedans.

Cela fut encore plus flagrant lorsque les produits à base de trichloroéthane (le T-111), tels que les dégraissants ou les révélateurs ininflammables, furent remplacés par des produits non halogénés! Le 1,1,1-trichloroéthane a une masse volumique de 1 334 kg/m3 et il a été replacé par un volume équivalent de produits ayant une masse volumique de 680 kg/m3(n-heptane) ou de 902 kg/m3 (acétate d'éthyle) !

Une fois encore, un fournisseur sans scrupules de produits PT/MT, embobina son monde en déclarant "mes concurrents vous en donnent moins pour le même prix" !

7- Les générateurs d'aérosols à poche

Nous pensons que les fournisseurs suisses furent les premiers en Europe à proposer ce nouveau type de générateur d'aérosols.

Au début des années 90, l'énergie nucléaire en France était à la recherche de générateurs d'aérosols qui pouvaient être utilisés dans toutes les positions, y compris "tête en bas'' pour faciliter le contrôle dans des zones difficiles d'accès.

Les générateurs d'aérosols à poche (également connus comme "générateurs d'aérosols à deux chambres") répondaient, partiellement à ce besoin.

Ces générateurs d'aérosols se composent d'un boîtier rigide, très similaire à ceux qui nous sont familiers et d'une poche interne souple, généralement en aluminium ou en matière plastique.

Un petit trou au fond du boîtier externe permet l'injection d'un gaz comprimé qui peut très bien être de l'air comprimé : cet agent propulseur n'est JAMAIS en contact avec le produit actif. Ce trou est ensuite obturé par un petit bouchon en caoutchouc.

L'agent propulseur exerce une pression sur la poche et dès que l'on appuie sur le bouton poussoir, le produit actif sort de la poche.

Les produits fortement chargés en matières solides, tels que les révélateurs humides non aqueux pour le ressuage et les peinture blanches de contraste pour la magnétoscopie, ne peuvent pas être appliqués de cette manière. Seuls les gaz liquéfiés peuvent être utilisés et ces générateurs d'aérosols ne doivent pas être utilisés tête en bas !

En milieu domestique, l'utilisation la plus fréquente des générateurs d'aérosols à poche est le gel de rasage (pas la mousse à raser). Un gel est un produit très visqueux ; il sort de la poche en raison de la pression du gaz comprimé (très souvent du CO2) exercée sur la poche. Vous savez probablement que pour faire "mousser" le gel en l'appliquant sur la peau, les fabricants y incorporent une certaine quantité de pentane ! Le pentane est un hydrocarbure, dans la lignée du propane (3 atomes de carbone) et du butane (4 atomes de carbone). Avec 5 atomes de carbone, le pentane est moins volatil que le butane et le propane... mais il est classé "Extrêmement inflammable" quand même, comme les deux autres ! Propane, butane et pentane font tous les trois partie des alcanes-un nom générique.

Des améliorations sont constamment apportées à ce type de générateur d'aérosols.

8- Le futur... commence aujourd'hui

La teneur en Composés Organiques volatils (COV) est une constante préoccupation pour de nombreux fournisseurs. Soucieux des besoins environnementaux, ils modifient leurs produits.

Les générateurs d'aérosols à poche constituent une solution pour résoudre les problèmes... quelques fois.

Le GPL et le DME sont des COV. Une façon de réduire la teneur en COV est d'utiliser le CO2 ou l'azote en remplacement. Plus de produit actif par générateur d'aérosols mais vous avez vu dans cet article qu'ils n'étaient pas techniquement équivalents à des gaz liquéfiés.

Juste pour regarder dans notre marché de niche que sont les CND, et dans cette niche, en regardant la "sous-niche"des produits PT/MT, pas de miracle en vue : personne ne peut imaginer des gaz liquéfiés non halogénés, ininflammables. Si, pour certaines applications, l'emploi de gaz comprimés est une option (pénétrant, dégraissant et certaines liqueurs magnétiques), un peu moins efficace, pour les "produits chargés" que sont le révélateur humide non aqueux pour le ressuage, et les peintures blanches de contraste pour la magnétoscopie, il est IMPOSSIBLE d'obtenir la couche fine, très couvrante, uniforme, séchant rapidement, qui est le FONDEMENT de ces contrôles.

Par ailleurs, utiliser un gaz comprimé ininflammable avec des produits actifs inflammables ou facilement, ou très inflammables, ne réduit le risque d'inflammation que de façon marginale. On peut même faire la démonstration qu'avec certains produits, le risque est au minimum très similaire, alors que l'utilisateur aura un sentiment de moindre risque -- et l'utilisera en prenant moins de précautions.

Utiliser du gaz comprimé, comme nous l'avons écrit à plusieurs reprises dans cet article, nécessite d'utiliser le générateur d'aérosols en position quasi verticale -- sinon, le gaz peut s'échapper en quelques secondes !

Modifier les formules des produits actifs tels que le révélateur à support volatil ou la peinture blanche de contraste est une bonne idée, mais les contraintes techniques dues aux méthodes de contrôle (ressuage, magnétoscopie) ne peuvent pas être ignorées. Concevoir un révélateur à base d'eau propulsé au CO2 serait comme faire des contrôles par ultrasons (UT) sans envoyer d'ultrasons dans la pièce contrôlée.

Le générateur d'aérosols propulsés au gaz liquéfié est le moyen autonome le moins cher, le plus efficace, utilisable presque partout (des générateurs d'aérosols de 50 ml sont utilisés sur des machines de ressuage télécommandées en centrales nucléaires) pour appliquer un produit en faible quantité, en couche dont on peut "doser" la finesse par un doigté qui s'apprend.

Ce type de générateurs d'aérosols restera la référence encore pendant longtemps.

Mis à jour ( Samedi, 05 Mai 2012 10:40 )