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Savez-vous comment les poudres s'agglutinent en raison de forces moléculaires faibles ?
Une poudre est un solide sec composé de nombreuses particules très fines qui s'écoulent librement lorsqu'elles sont secouées ou inclinées. Les poudres sont considérées comme une sous-catégorie spéciale de matériaux granulaires, bien que les termes « poudre » et « granulaire » soient parfois utilisés pour distinguer les différentes catégories de matériaux. Les poudres font spécifiquement référence aux matériaux qui ont des particules fines et sont donc plus susceptibles de former des grumeaux lorsqu'ils s'écoulent, tandis que les granulés font généralement référence à des matériaux qui ont des particules plus grossières et ne forment généralement pas de grumeaux sauf lorsqu'ils sont mouillés.
De nombreux produits manufacturés existent sous forme de poudre, comme la farine, le sucre, le café moulu, le lait en poudre, le toner pour photocopieur, la poudre à canon, les poudres cosmétiques et certains médicaments.
Dans la nature, la poussière, le sable fin et la neige, les cendres volcaniques et la couche supérieure du sol à la surface de la lune sont des exemples de poudres. En raison de leur importance dans l’industrie, la médecine et les sciences de la terre, les poudres sont étudiées en détail par les ingénieurs chimistes, les ingénieurs mécaniciens, les chimistes, les physiciens, les géologues et les chercheurs d’autres domaines.
Propriétés mécaniques des poudres
Les poudres ont généralement une densité globale beaucoup plus élevée, qu'elles soient compactées ou lâches, que les matériaux à particules grossières. Lorsqu'elle est saupoudrée, une poudre peut paraître très légère et pelucheuse ; après vibration ou compression, elle peut devenir très dense et même perdre sa capacité à s'écouler. En revanche, la densité globale du sable grossier ne change pas de manière significative. Le comportement d'agglomération des poudres provient des forces moléculaires de van der Waals, qui font adhérer les particules individuelles les unes aux autres. Cette force existe non seulement dans la poudre, mais aussi dans le sable et le gravier. Cependant, dans ces matériaux à gros grains, le poids et l'inertie des particules individuelles sont bien supérieurs aux très faibles forces de van der Waals, de sorte que les minuscules adhérences entre les particules n'ont pas d'effet dominant sur le comportement global du matériau. Ce n'est que lorsque les particules sont très petites et légères que les forces de van der Waals dominent, provoquant l'agglomération du matériau comme une poudre.
La limite entre la condition d'écoulement et la condition visqueuse peut être déterminée par des expériences simples.
De nombreux autres comportements des poudres sont des caractéristiques communes à tous les matériaux granulaires, notamment la classification, la stratification, le blocage et le déblocage, la fragilité, la perte d'énergie cinétique, le cisaillement par frottement, le compactage et l'expansion de Reynolds.
Transport de poudres
Les poudres sont transportées dans l’atmosphère différemment des particules grossières. Premièrement, les minuscules particules ont peu d’inertie à gérer face à la traînée du gaz environnant, elles ont donc tendance à se déplacer avec le flux plutôt qu’à se déplacer en ligne droite. La poudre peut donc présenter un risque d’inhalation. Les particules plus grosses sont incapables de pénétrer les défenses de l’organisme dans les cavités nasales et sinusales, mais elles frappent et adhèrent aux muqueuses. Le corps élimine ensuite les particules en éliminant le mucus du corps. Les particules plus petites, en revanche, peuvent atteindre directement les poumons et ne peuvent pas être expulsées.
Des maladies graves et parfois mortelles telles que la silicose peuvent résulter d’une exposition à certaines poudres sans protection respiratoire adéquate.
De plus, si les particules de poudre sont suffisamment petites, elles peuvent rester en suspension dans l’atmosphère pendant des périodes de temps considérables. Le mouvement aléatoire des molécules d’air et la turbulence exercent une force ascendante qui peut contrecarrer l’effet descendant de la gravité. En revanche, les particules grossières sont trop lourdes et retombent immédiatement au sol. Une fois perturbée, la poussière peut former de grandes tempêtes de poussière qui balayent les continents et les océans avant de revenir à la surface. Cela explique pourquoi il n’y a presque pas de poussières nocives dans l’environnement naturel.
Risque d'explosion
De nombreuses poudres courantes fabriquées dans l'industrie sont combustibles, en particulier les matières métalliques ou organiques telles que la farine. Parce que la poudre a une surface très grande, une fois enflammée, elle peut brûler avec une force explosive. Par conséquent, les installations telles que les minoteries qui ne disposent pas de mesures de protection adéquates contre la poussière peuvent être vulnérables à de telles explosions.
Certains métaux sont particulièrement dangereux sous forme de poudre, notamment le titane.
Par rapport à d’autres substances, les poudres ont des propriétés uniques. Une pâte ou un gel sec peut devenir une poudre lorsqu'il est complètement séché, mais il n'est pas considéré comme une poudre lorsqu'il est humide car il ne coule pas librement. Les matériaux comme l'argile sèche, bien que des solides secs composés de particules très fines, ne sont pas considérés comme des poudres à moins qu'ils ne soient écrasés, car les forces de cohésion entre les particules sont trop fortes pour s'écouler librement comme une poudre. Les liquides s'écoulent différemment des poudres car ils ne peuvent résister à aucune contrainte de cisaillement et ne peuvent donc pas rester stables à un angle incliné (c'est-à-dire que leur angle de repos est nul). Une poudre, en revanche, est un solide car elle peut supporter une contrainte de cisaillement et donc présenter un angle de repos.
Le comportement des poudres est un domaine de recherche important dans les matériaux particulaires, et sa compréhension est cruciale tant du point de vue de la technologie industrielle que des risques pour la santé. Dans ce domaine scientifique, nous devons réfléchir davantage à la manière d’utiliser en toute sécurité les propriétés de ces minuscules particules pour bénéficier à la vie et au travail humains.
