Soutenance mémoire
Optimisation de la viscosité d’une peinture à l’eau par les plans d’expériences
Généralités sur la peinture
Introduction :
Une peinture est une préparation fluide qui peu s’étaler en couches minces sur différents supports pour former, après durcissement, une pellicule opaque appelée « film » ou feuil adhérant, résistant, opaque, blanc ou coloré. C’estune suspension de poudres colorées, insolubles dans un liant, en solution dans un mélange de solvants, donnant, après application, un certain degré de brillance.
L’industrie de la peinture est un domaine qui se développe continuellement, en rependant aux besoins de la qualité, de l’application facile, et moins riche en solvants pour minimiser la pollution.
Depuis la Seconde Guerre mondiale, l’emploi des peintures de synthèse s’est développé afin de répondre de manière plus souple aux exigences des artistes en matière de siccativité des matériaux (temps de séchage), de maniabilité (possib lité d’employer des instruments d’application plus variés) et de stabilité des couleurs. Il s’agit d’émulsions composées de résines de synthèse de type vinylique ou acrylique(matières plastiques). Elles possèdent un grand pouvoir couvrant, ce qui permet de les utiliser même sur des supports particulièrement difficiles, comme le béton ou le ciment. Elles sèchent en peu de temps et évitent ainsi à l’artiste l’inconvénient majeur de la peinture à l’huile. En outre, les couleurs sont remarquablement stables et presque inaltérables dans le temps. On peut enfin réguler la densité du produit, dont dépend la matité de la couleur, par une simple adjonction d’eau.
Ainsi la composition chimique des peintures est plus complexe, ce qui ouvre un grand domaine de recherche pour les chimistes, en approfondissant la chimie industrielle.
La chimie des polymères tient une grande importance dans le domaine de la peinture. Et ces résultats ont une grande applicabilité.
Composition
Les éléments rentrant dans la composition d’une peinture sont :
– Les liants
– Les pigments
– Les solvants
– Les charges
– Les additifs
Le liant
Il lie les particules de pigments et les charges en un film uniforme et continu qui lui permet d’adhérer à la surface. En principe, tout ce qui colle peut être utilisé comme liant. Le terme « peinture » est toujours suivi de la désignation chimique du liant utilisé. Par exemple, une peinture au latex utilise le latex comme liant. La nature et la quantité de liant déterminent la plupart des propriétés: solubilité, dureté, rétention de couleur, souplesse et durabilité.
Les marques industrielles utilisent des liants à ba se de résines synthétiques (époxyde, polyuréthane) pouvant se révéler irritantes pour sle voies respiratoires et la peau. Les marques écologiques utilisent des liants à base d’huiles végétales (lin, romarin, lavande, ricin, carthame…), de cire d’abeille, de résines naturelles (pin), de caséine de lait.
La nature des liants détermine la famille de la peinture et le choix des solvants convenables, ce qui permet l’amélioration de la qualité de peinture (coloration, résistance à l’environnement extérieur, temps de séchage …etc). En règle générale, plus le taux de pigments et de liant est élevé, plus la peinture ste meilleure.
Pigments :
Les pigments déterminent la couleur d’une peinture (pouvoir colorant) et son aptitude à opacifier un support après séchage (pouvoir couvrant). Ils améliorent certaines propriétés physiques du film telles que la dureté, l’imperméabilité ou la résistance à la corrosion. En absorbant ou en réfléchissant les rayons ultraviolets, les pigments protègent les liants contre la dégradation photo lytique et contribuent ainsi à la durabilité du film de peinture.
Les pigments issus de la pétrochimie offrent la plus grande diversité de couleurs. Mais certains peuvent présenter des dangers pour la santé; d’autre part, il faut garder présent à l’esprit que leur fabrication génère une pollutionimportante. Les plus toxiques sont ceux à base de métaux lourds comme le plomb, le zinc, le chrome, le cadmium.
Les marques écologiques les ont remplacés par de lacraie (pigment blanc), des pigments végétaux (valériane, thé, oignon…) ou minéraux (terre de sienne, oxydes de fer…). Tous ces pigments proviennent de matières premières renouvelables ou dont les gisements sont très importants (comme la craie, par exemple, dont l’extraction ne pose pas de problème écologique).
Solvants :
Les solvants permettent d’ajuster la viscosité (la consistance) de la peinture. Après l’application ils s’évaporent pendant que le film de peinture durcit. Le white spirit est le solvant usuel des peintures décoratives même s’ilendt à être remplacé par des versions sans odeur beaucoup plus confortables à utiliser. L’eau n’est pas un solvant mais plutôt un diluant. Les résines utilisées dans les peintures en phase queusea ne sont pas dissoutes mais simplement dispersées sous forme de petites particules dans l’eau.
Chimiquement on distingue plusieurs familles de solvants : alcools, esters, cétones, hydrocarbures aliphatiques et aromatiques.
Voici quelques exemples représentés dans le tableau1:
Tableau1 : exemples des solvants
Les charges :
Les charges sont également des produits pulvérulents insolubles dans le milieu de dispersion mais possède un pouvoir opacifiant négligeable, engénéral des poudres minérales. Elles n’ont ni pouvoir couvrant, ni pouvoir colorant, leurs indice de réfraction étant voisin de celui des liants. Il s’agit de substances telles que le carbonate de calcium (CaCO3), le sulfate de baryum (BaO4), des silices, Pierre ponce …etc.
Les charges jouent un rôle important sur les carac téristiques rhéologiques d’une peinture (viscosité, écoulement, …), sur l’imperméabilité, la facilité de ponçage ou la résistance à l’abrasion. Il peut par exemple réduire la brillance, augmenter les propriétés mécaniques du film (Elles permettent également de répartir uniformément les pigments.) c’est le rôle de silicate de magnésium, réduire le prix de revient arp l’utilisation de carbonate de calcium par exemple.
Additifs :
Aux principaux composants d’une peinture, liants, pigments, et solvants, s’ajoutent en plus ou moins grande proportion une série d’adjuvants divers, Ce sont donc des éléments chimiques complémentaires, qui ont des fonctions et des propriétés bien déterminées même lorsqu’ils entrent en faible proportion dans la composition d’une peinture.. ; Leurs rôles sont très variés : faciliter la fabrication, le stockage, l’application ou doter la peinture de propriétés spéciales anticorrosives, fongicides ou insecticide : les éventuels insectes sont éliminés lorsqu’ils sont en contact avec le mur peint. Il existe également des peintures anti-acariens recommandées pour les personnes sensibles ou asthmatiques.
• agent épaississant :est employé pour 16
o augmenter la viscosité des peintures
o éviter les coulures ou retarder le dépôt des matières pulvérulentes
• agent dispersant : c’est un agent qui
o aide la machine à disperser des produits (gain d’énergie).
o élimine la coagulation et rend la peinture plus durable. o maintien la viscosité dans le temps
On trouve ces deux derniers additifs dans les peintures à l’eau aussi dans les peintures à solvant.
Pour les peinture à l’eau on ajoute d’autre additif s comme :
• agent de coalescence : c’est un agent qui facilite la formation du film à basse température.
• agent anti mousse : évite la formation da la mousse lors de la fabrication.
• agent de conservation : évite le développement bactérien.
Et pour les peintures à solvants on ajoute :
• siccatif : c’est un mélange des métaux qui accélère le séchage
• anti peau : retarde la formation de la peau
Types de peintures :
Il existe deux grandes familles de peinture : les peintures à l’eau et les peintures à l’huile. Ces dénominations sont issues du nom du solvant qui lescompose, l’eau et le white-spirit. On les appelle communément les « Glycéro » et les « Acryliques ».
Peintures à base d’eau
Comme leur nom l’indique, ces produits sont fabriqués avec de l’eau et il s’agit la plupart du temps de peintures murales (désignées habituellemen comme “peintures de dispersion”). Elles sèchent en général rapidement, ne sentent pasbeaucoup et ont tendance à être moins nuisibles à l’environnement. Alors qu’elles se sont depuis longtemps établies comme peintures d’intérieur pour les murs et les plafonds, les progrès technologiques d’aujourd’hui montrent que les produits à base d’eau conviennent également de plus en plus pour les surfaces en bois et les substrats métalliques. Pour les peintures en extérieur, on utilise des peintures de dispersion qui peuvent “respirer” (c’e st-à-dire laissent passer la vapeur), causant ainsi moins de problèmes dus à la formation de bulles et à l’écaillement. Pour obtenir les meilleurs résultats, la peinture doit s’appliquez que lorsqu’il ne fait ni trop chaud ni trop froid. Après les travaux de peinture, il suffit de nettoyer pinceaux et rouleaux avec de l’eau et du savon.
• Les qualités de la peinture à l’eau :
De l’avis unanime des utilisateurs, les qualités duproduit sont nombreuses:
o la colorimétrie est beaucoup plus fidèle ; o le pouvoir couvrant est « extra » ;
o une grande facilité d’application ;
o l’application des peintures en phase aqueuse peut se faire avec des moyens traditionnels ;
o la présence d’eau réduit les problèmes d’odeurs généralement liés à l’utilisation des solvants;
o le risque d’incendie est moindre que pour les peinture en phase solvant;
o les émissions des solvants sont réduites (ce qui contribue à la diminution du risque d’intoxication et de pollution de l’environn ement.
• Les inconvénients :
o quand le taux d’hygrométrie dépasse 90 %, l’eau s’évapore très difficilement;
o la tension de surface élevée de l’eau en fait un mauvais solvant eu égard aux propriétés d’écoulement (mauvais « tendu » du film);
o les liants en phase aqueuse présentent souvent unestabilité limitée ;
o l’application industrielle des peintures en phase aqueuse nécessite un contrôle de l’humidité relative et de la température.
Peintures À base de solvant organique
Avec cette catégorie, on désigne la plupart du temps des produits qui sont à base d’huile ou de résine alkyde et fournissent une surface de peinture très dure et lisse qui a toutefois tendance à devenir poreuse et à se fendiller avec le temps. El les ne sont pas aussi écologiques que les peintures à base d’eau, sèchent plus lentement et s entent plus fort. On les trouve plus souvent, en raison de leurs bonnes qualités d’adhérence, parmi les peintures brillantes, elles ne conviennent toutefois pas pour l’utilisation sur les métaux galvanisés ou la maçonnerie fraîche. Pour nettoyer vos pinceaux après utilisation d’une peinture à base de solvants, utilisez de l’essence ou de la térébenthine.
On peut aussi distinguer des sous familles :
• Peintures cellulosiques:
Elles présentent une bonne résistance à l’eau et aux agents atmosphériques, insensibles aux huiles lubrifiantes et à l’essence, dureté et résistance à l’abrasion.
La formation du film est de nature purement physique, il se forme par simple évaporation des solvants, de ce fait ces peintures ont une forte teneur en substance volatile.
• Peintures synthétiques:
Elles ont une très grande résistance aux agents atmosphériques, le film est sec très dur, brillant et aussi très résistant à l’action des solvants.
La formation du film est de nature chimique, elle se produit par polymérisation ou par polycondensation.
Processus de fabrication et analyse des peintures
Processus de fabrication :
Fabriquer une peinture ou une encre consiste à disp erser des matières pulvérentes dans une solution ou une dispersion de résine. C’est parfois le même processus qui est utilisé dans la fabrication des colles et adhésifs qui contiennent des charges minérales. Le processus peut se schématiser de la façon suivante :
Figure 1 : Procédé de fabrication de la peinture etdu vernis
Les étapes de fabrication
Après l’empâtage des pigments, liants et solvant, p lusieurs opérations unitaires sont nécessaires afin d’obtenir le produit fini. Ces opérations peuvent être effectuées de différentes manières suivant les machines utilisées.
Pré-dispersion et dispersion dans des disperseurs à grande vitesse
A ce stade du processus de fabrication, les pigments, les liants et les solvants sont mélangés afin de constituer des bases concentrées colorées.Cette opération consiste à casser les agglomérats des pigments et à les enrober de liants.
L’opération de pré-dispersion ou dispersion est réalisée en mélangeant les poudres dans les liquides agités par un disque à dents de scie en rotation à grande vitesse (1000 tours/min) qui provoque une turbulence et un échauffement.
Le Broyage
Plus le broyage est fin, plus on obtient du brillant, plus la force du pigment se développe. En fonction de la peinture voulue, on ajoutera ensuite des agents matant pour obtenir une peinture satinée ou mate.
Le mélange
Les opérations de mélange sont réalisées dans les êmes types de récipients que pour la dispersion. La différence réside dans la vitesse derotation de l’agitateur (hélice, barre, disque, turbine) qui est plus faible, et seuls des produits à l’état liquide sont ajoutés à ce stade.
Le mélange des bases permet d’obtenir les teintes définitives. On ajoute aussi du liant, des siccatifs et des additifs en fonction des qualités recherchées pour la peinture (par exemple des additifs anti-rouille pour obtenir de la peinture pour le fer.
Le transfert vers la filtration et le conditionnement
Le transfert se fait souvent au moyen de cuves ouvertes. Il peut être réalisé dans des récipients divers, par des pompes, des tuyauteries flexibles ou par gravité.
Après le transfert une filtration est nécessaire. Elle peut s’effectuer à l’aide de filtre en poche, directement en sortie des cuves, sur des tamis vibrant ou à l’aide de filtres contenus dans les carters où le matériau est pompé. La plupart des installations de filtrage sont équipées de trémie de chargement.
Conditionnement
Le conditionnement peut être réalisé de plusieurs anièresm :
_ Par pesée manuelle au moyen d’une trémie d’alimentation et d’une vanne ou d’un robinet _ Par utilisation manuelle d’une pompe volumétrique
_ Par utilisation de conditionneuses à pompe volumétrique semi-automatique ou totalement automatique.
_ L’installation peut être complétée d’équipementsde pose d’étiquettes de couvercles etc.
Pour les petits volumes, les méthodes manuelles peuvent être nécessaires pour éviter les pertes dues aux résidus dans es tuyauteries d’alimentation des machines.
Enfin, les emballages pleins sont normalement transportés sur les lieux de stockage par palettes.
Analyse des matières premières
Ce type d’analyse consiste à contrôler les bulleti ns d’analyses des matières premières à chaque arrivage même si la matière contrôlée est achetée d’un même fournisseur. La qualité des matières premières est la base de la productionet se reflète sur la qualité du produit fini.
Pour l’émulsion
o Test de résistance à l’abrasion humide : 20
-on prépare une peinture en phase aqueuse.
-La peinture d’essai est appliquée sur une feuille noire, séchée (10jours) et mise sur une plaque de verre.
-on fixe ensuite la feuille avec un cadre.
-on lessive avec une brosse de nylon et un liquide nettoyant (à midi on utilise de l’eau), jusqu’à constatation et détérioration.
b. Pour résine :
o Test de séchage :
-on prépare un vernis
-on l’applique sur papier contraste
-on compte le temps de séchage
Analyses des peintures
Il consiste à contrôler la qualité du produit de fa çon régulière afin de vérifier sa conformité avec les spécifications internes. Au sein de la société MIDI peinture on contrôle le pH, la densité, la finesse, la viscosité et la teinte :
pH
La plupart des produits à l’eau fabriquée doivent avoir un pH qui est basique généralement compris entre 8 et 9 et pour arriver à ce point dan s MIDI peinture on ajoute des quantités précises de la base. La mesure se fait par un simple trempage du papier pH dans la peinture ou à l’aide d’un pH mètre.
la densité
Principe : consiste à déterminer la masse d’un volume bien déterminé puis on calcule la densité par rapport à l’eau.
Appareillage : on utilise un densimètre qui suit les normes internationales, il s’agit d’un pycnomètre de 100 cm3 et une balance très sensible.
Mode opératoire : on remplie le pycnomètre de peinture, on élimine l’excès et on le pèse puis on divise par 100 pour avoir la densité de l’échantillon qu’on analyse.
finesse
Principe : cette caractéristique permet de détermin le degré de dispersion des pigments et des charges dans une peinture.
Appareillage : on utilise la jauge de north qui comprend une rainure à faible pente graduée en micron. Une raclette en acier à bords biseautés.
Mode opératoire :
a. Le produit est déposé dans la partie profonde au niveau zéro.
b. On étale la peinture par la raclette sur toute la longueur des cannelures.
c. Ensuite on effectue la lecture et on note la graduation où les agglomérats et les particules deviennent visibles.
Pour les peintures brillantes la finesse trouvée est compris entre 8 et 9.
Pour les peintures non brillantes, elle est inférieure à 6.
la viscosité
La viscosité d’un fluide est la propriété à laquell est due la résistance interne offerte par une portion quelconque de ce fluide lorsqu’il accuse un mouvement laminaire par rapport à une portion contiguë. Il existe différents types de viscosimètre absolus, principalement sont les viscosimètres à chute de billes, rotatifs et certains viscosimètres capillaires. Le laboratoire de MIDI peinture utilise un viscosimètre rotatif : viscosimètre de Krebs, et la mesure est exprimée en unité de Krebs (UK) ou en Tour par minute (Tr/min).
Principe : le viscosimètre Krebs permet la mesure de la viscosité ou de la consistance par la détermination du poids qui est nécessaire pour imprimer à l’agitateur normalisé à une vitesse donnée à température ambiante.
Cet instrument est muni d’un agitateur normalisé à deux ailettes, immergé dans le produit à tester.
Une charge variable est attachée à l’extrémité d’uncâble fixé à un tambour d’enroulement.
Sous le poids de la charge, le câble se déroule sur une petite poulie et le tambour communique à l’agitateur un mouvement de rotation. Un compteur indique le nombre de tour par minute qu’on peut le convertir en unité Krebs (UK).
la teinte
Cette caractéristique est contrôlée à l’aide d’un papier appelé : carte à contraste, cette carte est utilisée dans des essais comparatifs de la nuance et de la brillance.
Cette carte sert également pour la comparaison de deux échantillons du même produit fabriqué par MIDI peinture. Le premier qui est déjà contrôlé est considéré comme référence, le deuxième c’est le nouveau produit.
La comparaison se fait par l’application des deux peintures simultanément sur la même carte à contraste à l’aide d’un applicateur qui est une bar re cylindrique revêtue d’un enroulement de fil d’acier inoxydable.
Analyse des vernis
On utilise les mêmes analyses que pour les peintures tel que, la viscosité, la densité, et la teinte (si le vernis est teinté).
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre 1 :Présentation de la société MIDI
I. Généralités sur la société :
II. Fiche technique et organigramme de la société
1. Fiche technique de la société:
2. Organigramme de la société
III. Processus de fabrication dans la société :
1. réception et traitement des commandes
2. Traitement des commandes
3. Lancement de la production et contrôle de la qualité
IV. Les différents types des produit fabriqués par MIDI :
1. Impression :
2. Enduits :
3. Finition mates :
4. Finitions brillantes :
5. Finitions décoratives :
6. Vernis :
7. Produits spéciaux :
Chapitre 2 : Généralités sur la peinture
I. Introduction :
II. Composition
1. Le liant
2. Pigments :
3. Solvants :
4. Les charges :
5. Additifs :
III. Types de peintures :
1. peintures à base d’eau :
2. Peintures À base de solvant organique:
IV. Processus de fabrication et analyse des peintures
1. Processus de fabrication :
2. analyse des matières premières :
3. Analyses des peintures :
4. Analyse des vernis :
Chapitre 3 : Optimisation de la viscosité d’une peinture à l’eau par les plans d’expériences
I. Les plans d’expériences :
1. Notion d’espace expérimental
2. La modélisation mathématique :
3. Plans de criblage :
4. Notion de surface de réponse
5. Démarche méthodologique :
II. Partie expérimentale
A. Objectif de l’étude :
B. Mise en place des paramètres d’étude
1. Choix des facteurs
2. Choix des réponses
C. Étude de criblage
1. Stratégie
2. Analyse des résultats du plan de criblage
3. Conclusions
D. Plan d’optimisation
1. Objectif de l’étude
2. Paramètres
3. Réponse
4. Stratégie
Chapitre 4 : Etude de la stabilité d’une peinture à l’eau
1. Objectif :
2. tests de conservation de la peinture:
3. résultats obtenus :
4. Interprétation :
Conclusion générale
Bibliographie
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