Soutenance mémoire
AMÉLIORATION DE LA PROCÉDURE D’ÉCHANTILLONAGE DES PARTICULES ULTRAFINES D’USINAGE
Qualité de l’air intérieur
La qualité de l’air intérieur est devenue une question importante en matière de santé et sécurité au travail (Ostiguy, 2009). La pollution est un phénomène très complexe résultant de la présence de polluants qui sont très variés. La typologie la plus simple pour ces polluants consiste à distinguer les polluants gazeux des polluants solides (poussières et particules). Les polluants solides sont des particules fines et ultrafines qui sont susceptibles de servir de vecteurs à d’autres substances : ce qui est particulièrement préoccupant compte tenu de la capacité des particules ultrafines (d < 0.1 µm) a se retrouver dans les alvéoles pulmonaires (Olivier, 2001). Une seconde typologie s’appuie sur l’origine des polluants et oppose les polluants primaires aux polluants secondaires. Les polluants primaires sont des substances présentes dans l’atmosphère telles qu’elles ont été remises. Les polluants secondaires sont des substances dont la présence dans l’atmosphère résulte de transformations chimiques liées à l’interaction de composés dits précurseurs (Pommery, 1985)
Les mécanismes du dépôt des particules ultrafines en fonction de leur taille
La granulométrie des particules et leur comportement dans l’air ont un impact majeur sur le site de dépôt pulmonaire (Witschger et al, 2005 ; Oberdörster, 2005). Cette courbe présente deux pics; le premier à 2,5 µm d’où l’indice de qualité d’air de PM2,5 et le deuxième à 0,02 µm, fait l’objet de plusieurs études car le propos taux de dispersion est plus élevé pour ces pics, donc potentiellement plus dangereux. Cette courbe de fixation illustre clairement que l’absorption pulmonaire totale de particules de 20 nm diminue à 80 % mais plus de 50 % des particules de l’ordre de 20 nm se déposent au niveau des alvéoles (Ostiguy et al, 2006). Cela signifie donc que 20 % des particules inhalées pénètrent dans les poumons mais ressortent de celui-ci lorsque l’on exhale.
Aspect santé – sécurité au travail
Ces dernières années, le nombre d’études, de brevets et de publications scientifiques sur les nanoparticules a considérablement augmenté du fait de leur forte utilisation dans divers domaines. Comme c’est le cas pour toutes les substances, la toxicité des nanoparticules dépend en grande partie de leur concentration. On ne dispose pas assez de travaux expérimentaux et épidémiologiques concernant les dangers des PUF. On ne dispose aussi que peu d’études animales évaluant ceux des nanoparticules manufacturés, notamment à long terme. Bien que les produits qui composent les poussières engendrées par l’usinage soient nombreux, les réactions de l’organisme à l’exposition à ces produits correspondent à une gamme relativement large de symptômes. La gravité de ces symptômes à la suite d’une inhalation de ces poussières dépend du degré d’exposition. Cette exposition dépend à son tour de :
• la quantité de poussières dans l’air (concentration massique dans l’air) ;
• la quantité de poussières inhalées, qui dépend de la fréquence respiratoire et de la durée de l’exposition.
Métrique utilisée en santé et sécurité du travail
La métrique utilisée classiquement en santé et sécurité du travail est la concentration en masse. Les études toxicologiques dévoilent que, pour une même masse de produit, les effets inflammatoires pulmonaires sont plus élevés avec des particules nanométriques qu’avec des particules de taille supérieure suggérant ainsi que la masse n’est pas une métrique pertinente (Ferin, 1992; Oberdörster, 1994). La concentration en surface et la concentration en nombre s’avèrent plus appropriées que la concentration en masse (Oberdörster, 2005; 2007; Sager,2009). Dans une structure nanométrique, le nombre d’atomes réactifs en surface augmente par rapport au nombre total d’atomes de la particule, ce qui explique la plupart des changements des propriétés des particules (Sager, 2009). Cela concerne notamment :
• leurs charges électriques (une charge électrique négative inhibe leur transfert dans les cellules, alors qu’une charge positive le favorise) ;
• leur structure (cristalline ou non) ;
• leur solubilité dans les liquides biologiques (qui joue un rôle dans leur transport, leur toxicité et leur excrétion) ;
• leur capacité à former des agrégats, ou celle d’acquérir une photosensibilité spécifique (qui va permettre de les observer sélectivement par des stimulations lumineuses appropriées).
Pour pouvoir être étudiées, toutes ces propriétés impliquent une métrologie multiple tout à fait nouvelle. La définition de ces paramètres doit être admise par l’ensemble de la communauté scientifique internationale. Mais elle fait depuis plusieurs années l’objet de nombreux débats internationaux d’abord, parce que techniquement, les problèmes à résoudre sont peut-être aussi nombreux qu’il y a de catégories de particules ultrafines et des paramètres à évaluer. Ensuite, parce que des raisons commerciales de secret de fabrication ont freiné, au moins à leurs débuts, ces efforts de rationalisation métrologique à l’échelle mondiale (Momas, 2004).
Mesure des particules ultrafines
La mesure des particules ultrafines constitue un sujet important dans la maitrise et la caractérisation de ces dernières. Deux informations sont nécessaires pour obtenir le spectre de taille d’un échantillon d’aérosol: la taille et la concentration des particules. En dehors de la concentration, l’information de la taille réelle des particules ultrafines est d’une importance fondamentale. La mesure de la taille des particules inférieures au micron est très difficile par les méthodes optiques couramment employées (diffusion de Mie), voir impossible pour des tailles inférieures à 100 nm.
Les particules constituant un milieu aérosol peuvent présenter des formes très variables.
Cette variabilité n’existe pas pour les particules liquides que l’on peut assimiler à des sphères. En revanche, la morphologie des particules solides dépend, à la fois, de la nature du matériau qui les constitue et du mécanisme qui les a produit. En fait, à l’exception de particules produites par condensation et solidification d’une vapeur, on ne rencontre que rarement des particules solides sphériques. Généralement, les scientifiques décrivent les dimensions des particules à l’aide d’une seule grandeur appelée diamètre équivalent ou caractéristique. Ce diamètre ne correspond à la réalité physique de la particule que si celle-ci est sphérique. La variété morphologique complique la description des caractéristiques des particules du milieu aérosol. De surcroît, il est rare de rencontrer qu’un seul type de morphologie pour un même milieu.
|
Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LITTÉRATURE GÉNÉRALE
1.1 Introduction
1.2 Qualité de l’air intérieur
1.3 Les mécanismes du dépôt des particules ultrafines en fonction de leur taille
1.4 Aspect santé – sécurité au travail
1.5 Travaux sur les émissions
1.6 Métriques recommandées pour les particules ultrafines
1.6.1 Concentration numérique
1.6.2 Concentration massique
1.6.3 Concentration surfacique
1.7 Métrique utilisée en santé et sécurité du travail
1.8 Mesure des particules ultrafines
1.9 Grandeurs caractéristiques des particules
1.9.1 La loi de Fick
1.9.2 La loi de Stokes
1.9.3 La vitesse de sédimentation
1.9.4 Le nombre de Knudsen
1.9.5 Le libre parcours moyen
1.9.6 Le facteur de correction de Cunningham
1.9.7 Collision des particules et rebond sur les parois
1.10 Instruments de mesure
1.10.1 ELPI (Electrical Low Pressure Impactor)
1.10.2 MOUDI (Micro-Orifice Uniform Deposit Impactor)
1.10.3 Batteries de diffusion (DBs)
1.10.4 NanoMet (Nanoparticle Measuring Technique)
1.10.5 Épiphaniomètre (EPI)
1.10.6 Détecteur électrique d’aérosol (EAD)
1.10.7 ATOFMS (Aerosol Time of Flight Mass Spectrometer)
1.10.8 SMPS (Scanning Mobility Particle Sizer)
1.11 Conclusion
CHAPITRE 2 AMÉLIORATION DE LA PROCÉDURE D’ÉCHANTILLONAGE DES PARTICULES ULTRAFINES D’USINAGE
2.1 Introduction
2.2 Échantillonnage
2.2.1 Comportement des particules fines et ultrafines durant le procédé de coupe
2.2.2 Dilution lors d’échantillonnage
2.3 Instrument de caractérisation de particules ultrafines
2.3.1 Préparation des substrats
2.3.1.1 Substrats en polycarbonates (PC)
2.3.1.2 Substrats métalliques
2.3.2 Microanalyse (EDX)
2.3.3 Microscope à force atomique (AFM)
2.3.4 Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS)
2.3.5 Micro-Orifice Uniform Deposit Impactor (MOUDI)
2.3.6 Nanometer Aerosol Sampler (NAS)
2.4 Conclusion
CHAPITRE 3 MORPHOLOGIE DES PARTICULES ULTRAFINES D’USINAGE ET SON INFLUENCE SUR LA MESURE
3.1 Introduction
3.2 Diamètres équivalents
3.2.1 Diamètre des particules primaires Dpp
3.2.2 Diamètre aérodynamique Da
3.2.3 Diamètre équivalent en volume Dev
3.2.4 Diamètre équivalent en masse Dem
3.2.5 Diamètre de mobilité électrique Dm
3.2.6 Le diamètre de giration Dg
3.2.7 Le diamètre de l’agrégat Dagrégat
3.3 Régime d’écoulement et forme des particules
3.3.1 Force de traînée
3.3.2 Force de trainée sur un corps axisymétrique
3.3.3 Calcul de Dev pour diverses formes de particules
3.3.4 Estimation du facteur de forme dynamique χ
3.3.5 Estimation de diamètre équivalent en volume
3.3.6 La forme des particules
3.3.7 Effets de régime d’écoulement sur les mesures
3.4 Densité effective de mobilité
3.5 Conclusion
CHAPITRE 4 ETUDE DU PHENOMENE DE GENERATION DES PARTICULES ULTRAFINES DURANT L’USINAGE
4.1 Introduction
4.2 Méthodologie comparative de type plan d’expériences
4.3 Effets directs des facteurs sur la réponse
4.4 Diagramme de Pareto
4.5 Modèle du système étudié
4.6 Surface de réponse
4.7 Discussion
4.8 Conclusion
ORIGINALITE
CONCLUSION
Télécharger le rapport complet
