Etude et optimisation de la méthode LIBS (Laser Induced Breakdown Spectroscopy) pour l'identification de matériaux organiques appliquée au recyclage des plastiques et à la conservation du patrimoine

Study and optimisation of LIBS (Laser Induced Breakdown Spectroscopy) for the identification of organic materials applied to the plastic sorting and to the conservation of cultural heritage

• Auteur / Autrice : Sylvain Gregoire
• Direction : Yves Holl
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie physique
• Date : Soutenance le 28/01/2013
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie-physique (Strasbourg ; 1994-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Charles Sadron (Strasbourg ; 1985-....)
• Jury : Président / Présidente : Jörg Baschnagel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrick Mauchien, Michel Menu
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Demetrios Anglos, Bruno Bousquet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polymères -- Détérioration

Recyclage

Matières plastiques

Propriétés physico-chimiques

Matériaux organiques

Chimiométrie

Spectroscopie d'émission atomique

Spectroscopie laser

Mots clés libres

LIBS

Matériaux organiques

Peintures murales

Plastiques

Signaux moléculaires

LIBS

Organic materials

Mural paintings

Plastics

Molecular signals

Résumé

La LIBS est une technique d’analyse élémentaire dont la rapidité d’exécution et la portabilité en font une technique idéale pour l’analyse des matériaux sur site. Elle a déjà largement fait ses preuves dans le cadre de l’analyse de matériaux inorganiques. Mais les molécules organiques usuelles présentent des compositions atomiques similaires (C, O, H, N), rendant leur identification en LIBS difficile. L’utilisation de traitements de données tels que les rapports de raies ou la chimiométrie est donc inéluctable pour séparer efficacement plusieurs types de molécules organiques en LIBS. Malgré le caractère élémentaire de cette technique, les spectres obtenus lors de l’analyse de matériaux organiques montrent la signature spectrale de molécules diatomiques C2 et CN. Longtemps considéré comme des recombinaisons aléatoires des atomes présents dans le plasma, le signal de ces molécules s’avère d´dépendant de la nature des liaisons moléculaires de la molécule d’origine. Ce travail de thèse s’oriente autour de trois grands axes d’études - L’utilisation de traitements de données tels que la chimiométrie pour établir un protocole de traitements optimal visant à la discrimination des polymères dans le cadre du tri des plastiques. Un protocole optimisé a pu être avancé en UV et en IR. - L’identification des matières organiques utilisées en peinture murale (liants, adhésifs et consolidants) a pu être réalisée sur des échantillons de peinture de référence. Les traitements de données utilisés précédemment ont pu être appliqués sur ces échantillons présentant une matrice majoritairement inorganique. - La compréhension des procédés de formation des molécules diatomiques dans le plasma pour améliorer leur utilisation et ainsi optimiser la discrimination des matériaux organiques sur la base du signal moléculaire en LIBS. Le développement d’un système d’imagerie a permis de suivre le comportement spatio-temporel des espèces atomiques et moléculaires dans le plasma sous régimes UV et IR. Une hypothèse de formation des molécules sous ablation UV et IR a pu être établie.

LIBS is an analytical technique usable on-site because of its speed ant its transportability. It has already been used many times for the characterization of inorganic materials. The problematic of organic materials identification is still a subject of many researches, particularly concerning the plastic sorting and the conservation of artworks. Usual organic molecules indeed present similar atomic compositions (C, O, H, N) that make difficult their discrimination by LIBS. The use of data treatments like line ratios or chemometric tools is clearly primordial to separate effectively several organic molecules.Over the elementary nature of LIBS analysis, spectra obtained with this technique from organic materials present molecular signals belonging to diatomic molecules like C2 or CN. Those molecules have been considered as being the result of random recombinations of atoms present in the plasma. But their signals appear to be dependent of the molecular nature of the analyzed organic materials. This PhD work has been based on three studies ; - The use of data treatments like chemometric tools in order to establish a treatment protocol for the discrimination of polymers. An optimized protocol was validated for UV and IR impulsions. - The identification of organic materials used on mural paintings (binders, adhesives and consolidants) was realized on several reference samples. The data treatments used previously were successfully applied on those samples whose nature is mostly inorganic. - The comprehension of the process of formation of diatomic molecules in order to optimize the discrimination of organic materials based on molecular signals obtained by LIBS. A system was developed for the imagery of laser-induced plasmas to detect the spatio-temporal behavior of atomic and molecular species under UV and IR ablation. A hypothesis about their formation in the plasmas was advanced.