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CONSIDERATIONS THEORIQUES DE L’ALLUMAGE DES ALLUMETTES.
LE PROCESSUS DE L’ALLUMAGE
L’allumage d’une allumette est un processus complex e. Il est sous condition normale, une réaction chimique commencée par le frottement roduitp par friction de la tête d’allumettes sur le frottoir, suivi d’une série de réactions exothermiques et se termine par l’allumage de la tête d’allumette.
Malgré sa longue histoire, l’image théorique de ceprocessus est encore incomplète si on considère les réactions détaillées y afférentesCependant,. il est possible d’obtenir un aperçu plus complet en considérant ce phénomène comme des processus pyrotechniques.
Les réactions d’allumage à l’ état solide
Le meilleur exemple de cette approche qui a été discuté par Mc Lain [24] et publié en 1949 par Spice et Staveley sur les réactions solide-solide étant le modèle de boullette comprimée formée d’un agent réducteur ( métal en poudre ou oxyde métallique ou une substance organique), et d’ un agent oxydant ( habitiuellement un sel oxygéné ou un oxyde ).
En variant la nature de ces ingrédients, il est possible de produire des mélanges avec des vitesses de combustion très variables.
La vitesse de combustion est definie comme étant le rapport entre la distance parcourue en centimètre et le temps correspondant en seconde du début des zones incandescentes et le long de la boulette qui est allumée.
Les principaux facteurs qui affectent cette vitesse sont :
– La composition des ingrédients.
– Les conditions physiques de la boulette.
– Les forces de compression de la boulette.
Evidement, seules les deux premières variables sont considérées dans l’étude de l’allumage des têtes d’allumettes tandis que la méthode de formation de la tête d’allumettes(composition, degré, et nature des mousses, etc.) était en rapport avec le mélange exothermique des boulettes.
Spice et Stavely ont examiné la combustion lente etrapide de ces mélanges et ils ont classé suivant la chaleur de réaction des oxydants( Kcal/mole).[35] , [19](*).
Propagation de la flamme depuis le frott ement d’une allumette
Pour les allumettes, la chaleur de réaction dépenddu type de la composition principale et des détails de formulation (voir chapitre III – 1). Ces facteurs contrôlent aussi la vitesse pour atteindre l’état incandescent et la nature de cet état quand il est atteint.
Une analyse des facteurs physico-chimiques qui impliquent le frottement et le processus de combustion est donné dans le tableau[5].
Cependant, cette analyse n’est que descriptive depuis que son traitement ne tient pas compte des deux traits essentiels de la tête d’allumettes en occurrence :
1 – La forme qui est généralement celle d’une poire.
2 – La structure physique microscopique basée sur la densité des mousses (donnée par la gélatine), en particulier la dimension de chaque bulle, sa distribution, et son degré de perfection. (*) Renvoi numéro bibliographique (*) – V=0.
Par exemple : si une bulle quelconque est endommagée, la vitesse de propagation de la flamme à travers cette bulle est supérieure ( différente ) à celle de la réaction solide solide considérée précédemment. D’où risque d’éclatement de la tête d’allumettes pendant l’allumage.
Les réactions chimiques des composants des têtes d’allumettes
La réaction à l’état solide des composants normaux de la tête tels que : chlorate, oxyde, soufre a été étudié expérimentalement [39]en utilisant l’analyse thermique différentielle avec considération spéciale des réactions de soufre avec les autres composants.
Les principales réactions sont :
Avec le chlorate de potassium : 2KClO3 + 3S 2KCl + 3SO2
Avec le dioxyde de manganèse : 4MnO2 + S 2Mn2O3 + SO2
Avec le bichromate de potassium : 4K2Cr2O7 + 3S 4K2CrO4 + 2Cr2O3 + 3SO2
Par analyse de Cl-, ClO2-, ClO4-, SO2, SO3 dans ces réactions, la réaction principale dans la composition de la tête est celle entre le hloratec de potassium et le soufre. 2KClO3 + 3S 2KCl + 3SO2.
L’excès de chlorate se décompose en chlorure de potassium et ceci est catalysé par le dioxyde de manganèse, le bichromate de potassium et chlorure de potassium (un effet auto catalytique depuis que ce composé est un des produits de la réaction).
Ces effets de décomposition ont été étudiés par sureme des temps de début de réaction en fonction de la température suivant la figure (2).
FORMULATION DES PRODUITS CHIMIQUES POU R LES ALLUMETTES DE SURETE
Le principe de base de formulation de composition de la tête d’allumettes est la quantité d’oxygène nécessaire qui devrait être présente pour assurer la combustion des différents composants contenus dans le mélange deal tête d’allumettes.
A cet effet, le chlorate de potassium KClO3 est la source préférée d’oxygène. Il y a d’autres donateurs mais ils ont des inconvénients et ne sont généralement pas utilisés . Un exemple typique est le chlorate de sodium : NaClO3 qui est un oxydant très hygroscopique et rarement utilisé. De plus la libération d’oxygène est très lente et rend difficile l’allumage des allumettes.
Cependant, les autres donneurs d’oxygène tels que le perchlorate et le nitrate de potassium (KClO4, KNO3 ) sont déconseillés pour usage en allumette du fait de leur sensibilité d’exploser très facilement, on les utilise plutôt dans les domaines pyrotechniques.
Pour la formulation, l’oxygène disponible dans la composition de la tête d’allumettes devrait être en excès par rapport au volume réel nécessaire pour la combustion complète du soufre de la colle organique ( gélatine), et de tous les autres combustibles qui constituent les composantes de la tête d’allumettes.
D’après l’expérience, un excès de 15% en oxygène est recommandé surtout pour des allumettes utilisées dans des climats humides.
Les données expérimentales suivantes sont utiliséespar HARTIG pour les calculs de formulation. Décomposition de chlorate : suivant la théorie de Glinka 2KClO3 2KCl + 3O2.
Stockage des bois
Pour les allumettes en bois, dès le début du procesus, il faut garder le bois à utiliser au frais au tant que possible, le protéger des mousses, des insectes et des bactéries. Deux méthodes sont utilisées généralement :
Stockage en surface
Les bûches sont empilées sur des rails espacés et nclinés (1/50) d’inclinaison par rapport à la base.
Les bûches ainsi installées sont vaporisées par unesolution chimique diluée au moyen d’un appareil d’arrosage, de haut en bas, de façon à ce que tous les bûches soient imprégnées de produits chimiques.
A l’aide de la pente inclinée, les solutions chimiques sont récupérées en bas après avoir subi un système de filtration et recyclées denouveau. La surface de stockage est couverte pour protéger les bûches de la lumièredirecte du soleil.
Stockage dans un réservoir:
Les grosses bûches sont chargées dans des réservoir contenant de produits chimiques de traitement (même produit que précédemment) que l’on renouvelle tous les mois pour éviter les odeurs suffocantes dumélange. Les réservoirs sont aussi couverts à l’abri du soleil.
Coloration et imprégnation
Les tiges sont imprégnées par des produits chimiques spéciaux qui résistent au feu, pour éviter la propagation des masses incandescente après l’extinction des flammes. De plus elles peuvent être colorées pour avoir descouleurs plus attirantes de la tête par une couleur différente. La solution d’imprégnation est une solution de 3% de phosphate de monoamonium ou d’un mélange de phosphate avec de l’acide phosphorique ou d’acide borique. Dans tous les cas, 1% d’agents mouillants convenables sont aussi ajoutés.
Les tiges sont complètement immergées, pendant unepériode de 35 à 40 secondes dans la solution qui est maintenue entre 50-60°C, p uis retirées et laissées sécher.
Ce processus peut être effectué manuellement par des systèmes appropriés, mais dans tous les cas, il faut le faire très vite (40s maximums), pour éviter la détérioration interne des fibres des tiges. On peut citer comme teinte utilisée :
– bleu victoria,
– violet de méthyle,
– auramine jaune,
– rhodamine (0,1% ),
– alumine ( 1% ) ( pour une coloration plus forte ).
Fabrication des boîtes en bois
Fabrication des boîtes extérieures:
Le processus de fabrication des boîtes extérieures en bois est initié par la préparation des colles (amidon ou farine mélangée avec de la soude) et des pâtes du frottoir, puis la préparation des plaques pour les boîtes extérieures, ensuite la préparation du papier pour l’emballage des plaques de fond et enfin la production des boîtes extérieures. (Voir figure(2)).
Les plaques produites par l’opération d’épluchage sont introduites dans la machine de préparation de plaque pour boîtes extérieures, avant de passer finalement dans la machine de production boîtes extérieures proprement dite. Les boîtes complètement formées sont poussées hors du mandrin de la machineet projetées sur un porteur ou panier. La vitesse moyenne de fabrication est de 150 boîtes /mn.
Fabrication des boîtes intérieures
Les plaques du bord utilisées par les boîtes intérieures ne doivent pas être séchées trop longtemps afin de ne pas casser lors du pliage (la plaque du bord est pliée avec des points de marquage à l’extérieur)
Le processus de fabrication est le même que ce de al boîte extérieure telle que :
– Préparation des colles
– Préparation des plaques de bord
– Préparation des plaques de fond
Nous pouvons voir ces préparations suivant la figure (2)
Le débit de la production est de 140 – 150 boîtes/mn.
Il existe des différents systèmes que nous ne mentionnons pas dans cet ouvrage.
Conditionnement
Le conditionnement consiste à rassembler les boîtes extérieures, intérieures et tiges, pour former un ensemble qu’on appelle : boîte d’allumettes .
Le conditionnement peut être réalisé manuellementu opar des machines appropriées. Mais dans tous les cas, il consiste à remplir les b oîtes intérieures par des tiges avec têtes, et les boîtes remplies sont introduites dansles boîtes extérieures (enduisées ou non de frottoir selon le processus adopté).
Ensuite les boîtes d’allumettes sont empaquetées par 10 ou 12 boîtes dans un premier temps, avec des emballages appropriés puis par 100 ou 120 (10 paquets de 10 ou 12 boîtes) par d’autre emballage et finalement (selon le cas) en 1000 ou 1200 boîtes dans un cartons.
Fabrication des allumettes à tiges en boi s et boîtes en carton
Boîtes extérieures en carton
On utilise généralement des cartons de grammage 350 gr / m2. Après plusieurs procédés de préparation, les cartons passent d’abord par une machine d’application frottoir ensuite séchés par un système de séchageppropriéa et enfin, introduits dans la machine de production boîtes qui peut opérer avec un débit de 100 à 1000 boîtes /mn.
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Table des matières
I HISTORIQUE
II CONSIDERATION THEORIQUE DE L’ALLUMAGE DES ALLUMETTES
II-1 Le processus de l’allumage
II-1-1 Les réactions d’allumage à l’état solide
II-1-2 Propagation de la flamme depuis le frottement d’une allumette
II-1-3 Les réactions chimiques des composants des têtes d’allumettes
II-1-4 Mécanisme d’allumage d’une allumette de sûreté
II-2 Les températures de combustion
II-3 Morphologie des composants de la tête
II-4 Commentaire général
III-PRINCIPE DE FORMULATION DES COMPOSITIONS DES TETES D’ALLUMETTES
III-1 Formulation des produits chimiques pour les allumettes de sûreté
IV-LES TECHNIQUES DE FABRICATION D’ALLUMETTES
IV-1 Définition
IV-1-1 Boîtes extérieures
IV-1-1-1 Boîtes extérieures en bois
IV-1-1-2 Boîtes extérieures en carton
IV-1-2 Boîtes intérieures
IV-1-3 Tiges
IV-1-3-1 Tiges en bois
IV-1-3-2 Tiges en carton
IV-1-3-3 Tiges paraffinées
IV-2 Les différents types de fabrication d’allumettes
IV-2-1 Fabrication des allumettes à tiges et boîtes en bois
IV-2-1-1 Processus de fabrication
IV-2-1-2 Préparation des bois
IV-2-1-2-1 Stockage des bois
IV-2-1-2-2 Traitement des bois
IV-2-1-3 Fabrication des tiges en bois
IV-2-1-3-1 Epluchage
IV-2-1-3-2 Découpage des tiges
IV-2-1-3-3 Coloration et imprégnation
IV-2-1-3-4 Séchage
IV-2-1-3-5 Polissage
IV-2-1-3-6 Nettoyage
IV-2-1-3-7 Tamisage
IV-2-1-3-8 Nivellement des tiges
IV-2-1-3-9 Remplissage cadres
IV-2-1-3-10 Immersion
IV-2-1-3-11 Séchage
IV-2-1-4 Fabrication des boîtes en bois
IV-2-1-4-1 Fabrication des boîtes extérieures
IV-2-1-4-2 Fabrication des boîtes intérieures
IV-2-1-5 Conditionnement
IV-2-2 Fabrication des allumettes à tiges en bois et boîtes en carton
IV-2-2-1 Boîtes extérieures
IV-2-2-2 Boîtes intérieures
IV-2-2-3 Tiges
IV-2-2-4 Conditionnement
IV-2-3 Fabrication des allumettes à tiges en carton
IV-2-4 Fabrication des allumettes à tiges paraffinées
DEUXIEME PARTIE ETUDES EXPERIMENTALES DE LA CHROMITE .
V-PRESENTATION DE LA SOCIETE VARATRAFO
V-1 Historique
V-2 Technologie utilisée
V-3 Organisation de la Société
VI-PROCESSUS DE FABRICATION DES ALLUMETTES A TIGES PARAFFINEES
VI-1 Production des boîtes intérieures
VI-2 Production des boîtes extérieures
VI-2-1 Découpage 1/5
VI-2-2 Application frottoir
VI-2-3 Découpage 1/6
VI-2-4 Formation boîtes extérieures
VI-3 Production des tiges
VI-3-1 Découpage des papiers
VI-3-2 Humidification
VI-3-3 Tréfilage
VI-3-4 Remplissage cadre
VI-3-5 Immersion
VI-3-6 Pré séchage
VI-3-7 Séchage
VI-4 Conditionnement
VI-4-1 Mise en boîtes des tiges
VI-4-2 Emballage par dizaine
VI-4-3 Emballage en cartouche
VI-4-4 Mise en carton
VII-ETUDE EXPERIMENTALE DE LA CHROMITE POUR LA FABRICATION DE ALLUMETTES
VII-1 Justification du choix de la chromite
VII-2 Les limites de notre étude
VII-3 Etudes de quelques oxydes utilisés pour la fabrication des allumettes
VII-3-1 Le bichromate de potassium
VII-3-1-1 Propriétés du bichromate de potassium
VII-3-1-2 Spécification en allumette
VII-3-1-3 Manipulation pour la fabrication des allumettes
VII-3-1-4 Les principales réactions en allumettes
VII-3-2 Le dioxyde de manganèse MnO2
VII-3-2-1 Spécification en allumette
VII-3-2-2 Réactivité en allumette
VII-4 Analyse de la chromite
VII-4-1 Dosage de la silice
VII-4-2 Dosage de l’oxyde de chrome
VII-4-3 Dosage de l’oxyde d’aluminium
VII-4-4 Dosage du MgO et du FeO
VII-4-5 Résultats des analyses de la chromite
VIII ESSAIS DE LA CHROMITE
VIII-1 Rôle du dioxyde de manganèse
VIII-2 Rôle du bichromate de potassium
VIII-3 Processus des essais
VIII-3-1 Manipulation
VIII-3-1-1 Préparation de la pâte
VIII-3-1-2 Immersion
VIII-3-2 Séchage
VIII-3-3 Test d’allumage
VIII-4 Essais
VIII-4-1 Essai de référence
VIII-4-2 Elimination du dioxyde de manganèse
VIII-4-3 Substitution du dioxyde de manganèse par la chromite
VIII-4-4 Elimination du bichromate de potassium
VIII-4-5 Substitution du bichromate de potassium par la chromite
VIII-5 Résultats des essais
IX-INTERPRETATION DES RESULTATS ET DISCUSSIONS
IX-1 Essai n°1
IX-1-1 Couleur de la pâte
IX-1-2 Test d’allumage
IX-1-2-1 Explication de l’allumage normal
IX-2 Elimination du dioxyde de manganèse
IX-2-1 Couleur de la pâte
IX-2-2 Test d’allumage et discussion
IX-3 Substitution du dioxyde de manganèse par la chromite
IX-3-1 Couleur
IX-3-2 Test d’allumage
IX-4 Elimination du bichromate de potassium
IX-4-1 Couleur de la pâte
IX-4-2 Test d’allumage et discussion
IX-5 Substitution du bichromate de potassium par la chromite
IX-5-1 Couleur de la pâte
IX-5-2 Test d’allumage et discussion
X-CONCLUSION DE L’ESSAI DE LA CHROMITE
X-1 Caractéristiques physico-chimiques de la chromite
X-2 Formulation de la composition chimique des têtes d’allumettes
XI-IMPACTS DE L’UTILISATION DE LACHROMITE
XI-1 Substitution du dioxyde de manganèse par la chromite
XI-2 Substitution du bichromate de potassium par la chromite
XI-2-1 Manipulation
XI-2-2 Stockage des tiges avec têtes
XI-3 Déchets tiges avec têtes
XI-4 Impacts financiers de la substitution des ( MnO2 , K2Cr2O7 ), par la chromite
XI-4-1 Définitions
XI-4-1-1 Les coûts directs
XI-4-1-2 Les coûts indirects
XI-4-2 Les étapes de l’évaluation
XI-4-2-1 Point de vue
XI-4-2-2 Précision
XI-4-2-3 Année de référence
XI-4-2-4 Critères de l’évaluation
XI-4-2-5 Agrégation
XI-4-3 Analyse des coûts directs de la substitution
XI-4-3-1 Avantage économique de la substitution relative au stockage des tiges avec têtes
XI-4-3-2 Avantage économique de la substitution relative au taux de déchets
XI-4-3-3 Avantage économique de la substitution relative à l’économie de devises
XI-4-3-3-1 Devises
XI-4-3-3-2 Valeurs ajoutées
XI-4-3-4 Avantage économique de la substitution relative à la consommation des pâtes de têtes
XI-4-3-5 Total des coûts directs
XI-4-4 Evaluation des coûts indirects
XI-4-4-1 Coûts indirects
XI-4-5 Récapitulation des impacts financiers relatifs à la substitution du dioxyde de manganèse et du bichromate de potassium par la chromite
XII CONCLUSION GENERALE
GLOSSAIRES
BIBLIOGRAPHIE
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