Thèse soutenue

Nouvelles considérations sur l'explosivité des nanopoudres : un nano-grain de sable dans les rouages des standards
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Auteur / Autrice : Audrey Santandrea
Direction : Olivier DufaudLaurent Perrin
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Génie des procédés, des produits et des molécules
Date : Soutenance le 15/06/2020
Etablissement(s) : Université de Lorraine
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIMPPé - Sciences et ingénierie des molécules, des produits, des procédés, et de l'énergie (Lorraine)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire réactions et génie des procédés
Jury : Président / Présidente : Jean-François Brilhac
Examinateurs / Examinatrices : Olivier Dufaud, Valérie Tschamber, Fabien Halter, Agnès Janès, Sophie Trélat, Alexis Vignes, Arne Krietsch
Rapporteurs / Rapporteuses : Valérie Tschamber, Fabien Halter

Résumé

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La petite taille des nanoparticules induit une grande surface spécifique, qui procure des propriétés inédites, notamment chimiques, mécaniques, optiques ou biologiques, comparées aux particules micrométriques. Parmi ces nouvelles spécificités, les nanoparticules sont soumises à des forces de cohésion plus intenses, telles que des forces de van der Waals, électrostatiques ou capillaires, ce qui les amène à s’agglomérer de manière réversible. Cependant, une explosion de poussières nécessite une dispersion de la poudre dans l’air, ce qui peut mener à une fragmentation de ces agglomérats. L’objectif de ce travail est ainsi d’étudier l’influence des spécificités des nanoparticules, notamment de l’agglomération, sur leur sensibilité à l’inflammation et leur sévérité d’explosion, et d’évaluer l’adéquation des méthodes définies par les standards internationaux pour la détermination de ces paramètres concernant les nanoparticules. Quatre types de poudres ont été considérées pour étudier le comportement spécifique de chaque type de combustible: noirs de carbone, nanocellulose, aluminium et silicium enrobé de carbone. Les poudres ont été caractérisées au repos, et leur distribution de tailles de particules a été mesurée avant et après dispersion à l’aide de méthodes complémentaires. Le diamètre moyen en surface diminue significativement après l’injection dans la sphère de 20L, i.e l’équipement standard utilisé pour mesurer la sévérité d’explosion. Cette observation prouve la nécessité de caractériser la poudre après injection dans la sphère de 20L, pour évaluer le risque de manière fiable. Des essais d’inflammation et d’explosion ont été réalisés dans des conditions standards, mais aussi modifiant la préparation de la poudre (vieillissement, séchage, tamisage, agglomération) ainsi que les conditions opératoires (procédure de dispersion, énergie d’inflammation, turbulence initiale). Des comportements spécifiques liés à la nature de la poudre (carbonée, organique ou métallique) ont été observés, discutés, et des méthodes alternatives de mesure ont été proposées. Par exemple, la procédure de dispersion et la source d'inflammation doivent être adaptées à l'énergie d'allumage minimale des nanopoudres pour éviter à la fois les phénomènes de pré-inflammation et ‘d’overdriving’. Enfin, l’une des principales propositions consiste à considérer la vitesse laminaire de flamme comme un paramètre standard représentant la sévérité d’explosion. Des tests ont été réalisés dans un tube de propagation de flamme et dans une sphère éventée pour évaluer la vitesse non étirée de la nanocellulose. Les résultats obtenus ont alors été comparés à une corrélation existante basée sur les paramètres obtenus lors d’essais standards. De plus, un modèle de propagation de flamme, initialement développée pour des mélanges hybrides, a été adapté pour représenter la propagation de flamme dans un nuage de nanoparticules et a montré des résultats en adéquation avec les résultats expérimentaux.