Pourquoi la distribution granulométrique est-elle importante en industrie ?
Dans de nombreux procédés industriels, la granulométrie joue un rôle clé dans la maîtrise de la qualité, de la performance et de la reproductibilité des produits. Qu’il s’agisse de poudres, de suspensions ou de particules en dispersion, la taille des particules est un paramètre déterminant qui influence directement les propriétés physiques, le comportement en procédé et les performances finales du produit.
Comprendre les principes de la granulométrie, les différentes méthodes de mesure et leurs domaines d’application est donc essentiel pour faire les bons choix techniques et optimiser ses procédés industriels.
Quel est l’objectif de la granulométrie ?
La granulométrie est une discipline scientifique visant à mesurer et à analyser la distribution des dimensions des particules dans un échantillon. Cette information est essentielle car la taille des particules impacte de nombreux aspects du procédé et du produit final : écoulement des poudres, homogénéité des mélanges, réactivité, solubilité, stabilité, rendement ou encore propriétés mécaniques et fonctionnelles.
La granulométrie est indispensable dans de nombreux domaines industriels, tels que la pharmaceutique, la cosmétique, l’agroalimentaire, la chimie, les polymères et composites, la céramique, le bâtiment, l’aéronautique… Les mesures permettent d’évaluer la qualité des matières premières et des produits et d’assurer un contrôle optimal des procédés de production (broyeur, microniseur, mélangeur, granulateur, tamiseur, séparateur dynamique, spray dryer…).
Les principaux objectifs de la granulométrie sont :
- Comprendre la répartition des tailles de particules au sein d’un échantillon ;
- Optimiser les propriétés fonctionnelles des matériaux ;
- Contrôler la qualité des matières premières et des produits finis, qu’ils soient en vrac ou sous forme de grains, granules, pellets, poudres, suspensions colloïdales, émulsions, aérosols.
La granulométrie est ainsi un outil de pilotage et d’aide à la décision, aussi bien en R&D qu’en production ou en phase d’industrialisation.
Que mesure un granulomètre ?
Un granulomètre mesure la taille des particules selon un principe physique donné, en fournissant une distribution granulométrique exprimée en diamètre équivalent. Il est important de noter que la taille mesurée dépend à la fois de la technique utilisée, des conditions opératoires (mode de dispersion, état d’agglomération), et des hypothèses associées au modèle de mesure (forme, densité des particules par exemple).
Les granulomètres permettent de caractériser, selon la technologie et les conditions de mesure employées, des particules primaires, des agglomérats ou des agrégats.
Les granulomètres peuvent être utilisés sur différents types d’échantillons, notamment :
- Grains et poudres : industries pharmaceutiques, agroalimentaires (farines, granulés alimentaires), matériaux de construction, chimie et céramiques
- Colloïdes et suspensions : revêtements, suspensions médicamenteuses, recherche scientifique
- Sprays et gouttelettes : aérosols médicaux, industries de la peinture et des encres
- Émulsions : Cosmétiques (crèmes, lotions), agroalimentaire (sauces, émulsifiants).
Chaque secteur nécessite un instrument adapté au type de produit à analyser (gamme de taille, milieu sec ou liquide), souvent combiné à une méthode d’échantillonnage spécifique pour garantir des mesures fiables et répétables.
Comment mesurer la taille des particules ?
Différentes méthodes existent pour analyser la taille des particules.
1. Tamisage
Le tamisage repose sur le passage des particules à travers une série de tamis présentant des mailles de taille décroissante. C’est une technique mécanique simple, robuste et économique. Elle est particulièrement adaptée aux matériaux granulaires de grande taille (> 40 µm).
- Applications : matériaux de construction, exploitation minière, industries agroalimentaires, cosmétiques et pharmaceutiques
- Limites : peu précise pour les particules fines, long et peu adapté aux échantillons complexes
- Marques : Retsch®(AS 200), Endecotts (Octogon), Fritsch (Analysette 3)
- Norme : NF EN 933-1, NF ISO 2591-1, et autres spécifiques au secteur d’activité
- #English : Sieving
2. Variation d’impédance
Cette méthode, aussi appelée comptage Coulter, utilise le principe de variation de la résistance électrique à travers un capillaire lorsque des particules traversent un champ électrique.
- Applications : analyses biologiques (cellules, émulsions, vaccins, bactéries…)
- Limites : besoin d’échantillons en suspension liquide, sensible à la présence de bulles d’air, nécessite une séparation des particules par gamme de taille, long
- Marques : Beckman Coulter (Multisizer 4e)
- Norme : ISO 13319
- #English : Electric Sensing Zone or Coulter Counter
3. Sédimention
Basée sur la vitesse de sédimentation des particules dans un liquide sous l’effet de la gravitation ou de la centrifugation, cette technique permet d’étudier des particules fines (< 300 µm) en suspension.
- Applications : suspensions médicamenteuses, suspensions cosmétiques, sauces, boissons, peintures et encres, revêtements avec des pigments en suspension, suspensions de céramiques...
- Limites : technique lente, susceptible d’être influencée par les propriétés physico-chimiques du liquide et la forme des particules.
- Marques : Micromeritics (SediGraph), Microtrac (Turbiscan), LUM (Lumisizer®), CPS Instruments (Disc cenrifuge), Horiba (Partica Centrifuge)
- Norme : ISO 13317 (sédimentation par gravité) et ISO 13318 (sédimentation centrifuge)
- #English : Gravitational sedimentation, Centrifugal liquid sedimentation (CLS)
4. Diffraction laser
Cette technologie est basée sur la diffraction de la lumière qui varie en fonction des dimensions des particules. La diffraction laser est largement utilisée dans tous les secteurs industriels car elle fournit des données précises sur une large gamme de tailles en milieu sec ou liquide : de quelques dizaines de nanomètres à plusieurs millimètres. De plus, la mesure est rapide et répétable.
- Applications : pharmaceutique, cosmétique, agroalimentaire, chimie, polymères et composites, céramique, bâtiment, aéronautique spatial et naval…
- Limites : coût élevé par rapport à une analyse tamis, nécessite un contrôle annuel, résultat lié à un modèle de particule sphérique
- Marques : Malvern Panalytical (Mastersizer 2000, Mastersizer 3000), Horiba (Partica LA), Sympatec (HELOS), Beckman Coulter (LS 13320 XR), Anton Paar (Litesizer DIF)
- Norme : ISO 13320
- #English : Laser Diffraction Particle Size Analyzer, Static Light Scattering (SLS), Laser Diffraction (LD)
5. Analyse d’images
Il existe deux approches de mesure de la taille et de la forme à l’aide de techniques d’imagerie : l’analyse statique (lente et précise) pour laquelle les particules sont au repos, et l’analyse dynamique (rapide et adaptée aux particules plus grosses) pour laquelle les particules sont en mouvement comme en analyse par diffraction laser.
Morphogranulomètres statiques
Ces appareils utilisent des images individuelles de particules capturées en mode statique pour analyser la forme et la taille des particules. La mesure peut se faire sur des échantillons sous forme de poudre ou de suspensions.
- Applications : toutes industries utilisant des poudres fines
- Limites : lent, mais très précis pour la détermination des formes avec des outils logiciels facilitant la comparaison des échantillons
- Marques : Malvern Panalytical (Morphologi 3, Morphologi 4), Bettersize (BeVision)
- Norme : ISO 13322-1
- #English : Static Image Analysis, Static Morphogranulometer
Morphogranulomètres à flux dynamique
Ces systèmes fonctionnent sur des flux continus avec une capture des images par caméra, permettant une analyse rapide. En revanche, par rapport à l’analyse statique, la précision est moindre sur la détermination du contour des particules et sur l’analyse de la rugosité des particules. On peut mesurer la taille de poudres et de grains en voie sèche mais aussi en voie liquide.
- Applications : céréales, granulés, pellets, méso poudres et micro grains
- Limites : profondeur de champ en fonction du grossissement des objectifs
- Marques : Microtrac (Camsizer), Anton Paar (Litesizer DIA), Sympatec (QICPIC), Fritsch (Analysette 28)
- Norme : ISO 13322-2
- #English : Dynamic Image Analysis (DIA), Dynamic Morphogranulometer, Dynamic Image Sizer
6. Diffusion dynamique de la lumière
La diffusion dynamique de la lumière repose sur l’analyse du mouvement brownien des particules en suspension, en corrélant les variations d’intensité de la lumière diffusée.
- Applications : nanoparticules, suspensions colloïdales
- Limites : nécessite des échantillons dilués, limité aux particules submicroniques, forte sensibilité aux agrégats et poussières
- Marques : Malvern Panalytical (Zetasizer), Horiba (nanoPartica), Microtrac (Nanotrac), Anton Paar (Litesizer DLS),
- Norme : ISO 22412
- #English : Dynamic Light Scattering (DLS), Photon correlation spectroscopy (PCS)
7. Diffusion statique de lumière multiple
La technologie permet une mesure directe sans dilution de l’échantillon. Elle calcule un diamètre moyen des particules sur la base du parcours des photons dans un échantillon de suspension : ceux-ci sont détectés en transmission ou en rétrodiffusion après avoir été diffusés plusieurs fois par les particules. Ces équipements permettent aussi de suivre la stabilité d’une suspension en mesurant les évolutions en fonction de la hauteur de l’échantillon et de la durée de stockage.
- Applications : émulsions, crèmes, peintures, suspensions colloïdales en tout genre.
- Limites : obtention d’un diamètre moyen
- Marques : Microtrac (Turbiscan)
- Norme : ISO/TS 21357
- #English : Static Multiple Light Scattering (SMLS)
Comparaison des techniques de granulométrie
Il n’existe pas de méthode universelle de granulométrie : chaque technique de mesure de la taille des particules repose sur un principe physique spécifique et répond à des besoins différents. Le choix de la méthode dépend notamment de la plage de tailles à analyser, de la nature de l’échantillon (poudre sèche, suspension, dispersion), du niveau de précision attendu et des contraintes du procédé industriel.
Par exemple, le tamisage est particulièrement adapté aux particules grossières et aux poudres sèches, tandis que la diffraction laser permet une mesure rapide et reproductible sur une large gamme de tailles. Les méthodes basées sur la sédimentation ou l’impédance offrent une bonne résolution pour certaines applications spécifiques, alors que l’analyse d’image apporte des informations complémentaires sur la forme et l’état d’agglomération des particules. La diffusion dynamique de la lumière (DLS) est quant à elle privilégiée pour les tailles submicroniques et nanométriques, principalement en laboratoire.
Comparer les techniques de granulométrie implique donc d’évaluer leurs avantages, limites et hypothèses de mesure, mais aussi leur adéquation avec l’objectif final : contrôle qualité, compréhension d’un phénomène, optimisation du procédé ou suivi en production.
Néanmoins quel que soit votre technique analytique en laboratoire, les résultats sont toujours éloignés des ateliers de production de poudres. C’est pour cette raison entre autres, que l’analyse en ligne se développe de plus en plus. On fait habituellement en industrie un prélèvement toutes les heures ou toutes les deux heures sur les lignes de production. Passer à l’analyse en ligne, c’est obtenir une mesure toutes les secondes et donc être 3600 ou 7200 fois plus précis.
La granulométrie en ligne : mesurer pour piloter le procédé
La granulométrie en ligne représente une évolution majeure par rapport aux analyses ponctuelles en laboratoire. En permettant une mesure continue de la taille des particules directement sur le procédé, elle offre une vision en temps réel du comportement du matériau et des variations de production.
C’est la meilleure solution pour contrôler et même réguler directement le procédé en voie sèche ou liquide (broyeur, microniseur, nano-broyeur, tamiseur, séparateur dynamique, atomiseur, granulateur à lit d’air fluidisé, mélangeur…).
L’analyse granulométrique en ligne la plus répandue est basée sur le principe de la diffraction laser avec l’ajout d’un système de prélèvement sur la ligne de production.
- Applications : grains, poudres sèches, suspensions colloïdales dans toutes les industries
- Limites : implantation selon la configuration de l’atelier ou de l’usine
- Marques : Malvern Panalytical (Insitec), Sympatec (MYTOS)
- #English : Real-time Particle Size Analysis, On-line Particle Size Analysis
Les différents montages permettent de s’adapter aux besoins spécifiques de l’utilisateur :
1. At Line
Les échantillons sont prélevés manuellement sur la ligne de production et analysés immédiatement à proximité.
Avantages : Flexibilité, moindre coût d’installation
Limites : Nécessite une intervention humaine
2. On Line
Les granulomètres prélèvent en continu et analysent automatiquement le flux échantillonné.
Avantages : Automatisation
Limites : Demande une réflexion approfondie sur la qualité de l’échantillonnage
3. In Line
Les mesures sont effectuées directement sur la ligne sans dérivation.
Avantages : Temps réel, réaction rapide aux variations de production
Limites : Installation complexe et coûteuse, limité aux petits débits
Applications industrielles et études de cas
La granulométrie intervient dans de nombreux contextes industriels, à toutes les étapes du cycle de vie d’un produit, de la recherche au suivi de production. Dans le cadre de projets de développement ou d’optimisation de procédés, la mesure de la taille des particules permet par exemple de qualifier l’impact d’un paramètre opératoire (vitesse, énergie, débit, formulation) sur les propriétés finales du produit. Dans certains cas, une analyse granulométrique en laboratoire est utilisée pour comparer différentes matières premières, valider l’homogénéité d’un mélange ou identifier l’origine d’un défaut qualité observé en production.
Cas 1 : Optimisation de la production d’une poudre pharmaceutique
Contexte : La production montrait des variations de taille de particules, nuisant à l’efficacité du produit.
Solution choisie : Granulométrie par diffraction laser in-line.
Résultats : Contrôle en temps réel, réduction des rebuts de 20%.
Avantages : Gain de productivité et homogénéité améliorée.
Cas 2 : Contrôle qualité dans la production alimentaire
Contexte : Une usine de production de farine éprouvait des difficultés à garantir une taille homogène de particules.
Solution choisie : Analyse at-line par analyse d’image statique.
Résultats : Détection rapide des anomalies dans les lots, ajustement des paramètres de mouture.
Avantages : Réduction des réclamations clients et amélioration de la satisfaction.
Cas 3 : Réduction des pertes dans une cimenterie
Contexte : Une cimenterie avait des pertes importantes dues à des particules trop fines ou trop grossières.
Solution choisie : Granulométrie par diffraction laser on-line.
Résultats : Contrôle précis et ajustements en temps réel, réduction des pertes de matière de 10%.
Avantages : Gain économique substantiel et qualité du ciment stabilisée.
Cas 4 : Analyse rapide d’un granulat pour le bâtiment
Contexte : Variabilité importante dans la granulométrie des granulats sur chantier.
Solution choisie : Morphogranulomètre dynamique.
Résultats : Diminution des tests destructifs sur site.
Avantages : Économie de temps et de ressources.
Conclusion
La granulométrie est un paramètre clé pour comprendre le comportement des poudres, améliorer la qualité des produits, maîtriser et optimiser les procédés mettant en œuvre des poudres.
Du choix de la méthode de mesure à l’interprétation des distributions granulométriques, chaque étape conditionne la pertinence des résultats et leur valeur pour la prise de décision industrielle.
Qu’elle soit réalisée en laboratoire ou en ligne sur le procédé, la mesure de la taille des particules devient un véritable outil de pilotage lorsqu’elle est intégrée dans une démarche cohérente et adaptée au contexte industriel.
Vous vous interrogez sur la méthode de granulométrie la plus adaptée à votre application ou sur l’intérêt d’une mesure en ligne ?
Poudres Durables vous accompagne pour définir, mettre en œuvre et exploiter des solutions de mesure adaptées à vos enjeux industriels.
FAQ – Granulométrie et mesure de la taille des particules
- Quelle est la meilleure méthode de granulométrie ?
Il n’existe pas de méthode universelle de granulométrie. Le choix de la technique dépend de plusieurs critères : la plage de tailles de particules à analyser, la nature de l’échantillon (poudre, suspension, dispersion), l’objectif de la mesure et les contraintes du procédé. La méthode la plus pertinente est celle qui fournit une information fiable et représentative du matériau dans son contexte d’utilisation.
- Pourquoi les résultats de granulométrie peuvent-ils varier selon la technique utilisée ?
Chaque technique de mesure repose sur un principe physique différent et s’appuie sur des hypothèses spécifiques (forme des particules, état de dispersion, modèle de calcul). Deux méthodes peuvent donc fournir des distributions granulométriques différentes pour un même matériau, sans que l’une soit nécessairement plus juste que l’autre. L’essentiel est de comprendre ce que mesure réellement la technique choisie.
- Quel est l’intérêt de la granulométrie en ligne par rapport aux analyses en laboratoire ?
La granulométrie en ligne permet de mesurer la taille des particules en continu et en temps réel, directement sur le procédé. Elle offre une meilleure compréhension du fonctionnement réel de l’installation, facilite la détection des dérives et permet d’ajuster plus rapidement les paramètres opératoires. Elle complète ainsi les analyses de laboratoire et constitue un outil clé pour le pilotage et l’optimisation des procédés industriels.
