Reproduction de : Thèse de doctorat : Sciences des matériaux : Lille 1 : 2004. / N° d'ordre (Lille 1) : 3482. Titre provenant de la page de titre du document numérisé. Bibliogr. à la suite de chaque chapitre.

La poudre de silicium métallurgique (MG-Si, pureté 99 %) ont été étudiées, en se focalisant particulièrement sur les particules fines (taille comprise entre 1 et 10 μm) Ce matériau est utilisé dans l’industrie siliconière pour la synthèse directe du diméthyldichlorosilane et est obtenu par broyage de blocs de silicium. Les propriétés de cette poudre sont cruciales pour le procédé industriel, à la fois en termes de surface spécifique, composition chimique et coulabilité. Comprendre l’influence des particules fines, qui dégradent la coulabilité, et leur origine au cours du broyage est donc d’une importance cruciale. Une nouvelle caractérisation, chimique et cristallographique, des poudres de MG-Si montre que les particules fines sont en moyennes moins chargées en éléments d’alliage que les particules plus grosses. La structure cristalline du silicium est inchangée au cours du broyage, sauf pour les particules superfines (taille inférieure à 1 μm). Celles-ci présentent des zones amorphes : cela montre qu’elles sont soumises à des contraintes plus importantes au cours du broyage, comme cette transformation étant obtenue au-delà d’un seuil de pression. Le comportement du MG-Si en broyage a été étudié pour la première fois. A l’échelle de la particule unique, il est confirmé que les fissures suivent une propagation transgranulaire. De plus, des particules fines peuvent être produites au cours d’un unique événement de broyage, en raison de l’activation simultanée de multiples systèmes de fissures qui peuvent brancher entre elles. La taille critique en-deçà de laquelle la déformation plastique est énergétiquement plus favorable que la propagation de fissure a été estimée à environ 1 μm par une méthode basée sur l’indentation. Ces deux résultats sont cohérents avec la répartition des éléments d’alliages en fonction de la taille de particule. A l’échelle multiparticulaire, une étude pilote en broyeur à tambour tournant a été menée. Les résultats de cette étude ne sont pas disponibles dans cette version publique du manuscrit. Veuillez vous reporter au manuscrit complet. Les conséquences sur la coulabilité de la présence de particules fines dans la poudre de MG-Si produite par broyage ont été caractérisées par mesures d’angle de repos, de dynamique de compaction et en fluidisation. En particulier, un nouveau comportement d’élutriation a été identifié et décrit : l’élutriation séquentielle se produit lorsque des particules fines sont initialement présentes dans le lit fluidisé et se caractérise par l’envolement d’abord des inférieures à environ 30 μm puis seulement des particules de taille supérieure. Ce comportement n’est pas observé en l’absence de fines dans le lit initial. L’explication de ce phénomène pourrait se trouver dans la formation de clusters polydisperses, formés seulement en présence de particules fines. En parallèle de l’élutriation séquentielle, des mesures électrostatiques avec un électromètre externe à la colonne ont montré la présence de potentiels très importants (10 kV), dont le signe correspond à la gamme de taille de particules envolées. Ceci suggère que l’adhésion au sein des clusters pourrait être électrostatique. / Metallurgical-grade silicon (MG-Si, 99 %) powders were extensively investigated, particularly focusing on the fine particles (whose size is between 1 and 10 μm) comprised in these powders. This material is a reactant widely used in the silicones industry for the Direct Synthesis and is obtained by size reduction of millimetric silicon lumps. Powder properties are major stakes of the industrial process. Smaller sizes favor high specific surfaces and high rates of production, but can decrease the lowability, thus inducing poor heat evacuation resulting in hot spots and a decrease in selectivity. Such lowability issues are particularly associated with fine particles, hence understand the generation of these particles during grinding is of critical importance. New chemical and crystallographic characterization of MG-Si is presented, showing that fine particles contain on average less alloying elements than larger particles, yet their crystallographic structure is preserved through grinding. On the contrary, superfine particles (smaller than 1 μm) exhibit amorphous zones: this transformation is pressure induced, showing that these particles experience larger stresses during the grinding step. The behavior of MG-Si in grinding mills has been studied for the first time. At the single particle level, it has been confirmed that transgranular fracture is preferred in MG-Si. Moreover, fine particles can be produced from a single fracture event, due to multiple crack propagation and branching. The critical size under which plastic deformation preferentially occurs over fracture has been evaluated to be approximately 1 μm. These two facts are consistent with a lower level of impurities in fines, yet remaining crystalline, and with superfines exhibiting amorphous areas. At the multiple particle level, pilot scale batch milling experiments have been performed. The results are not included in this public version of the manuscript, please refer to the full manuscript. The consequences of the presence of fine particles in ground MG-Si powder on lowability has been assessed by means of angle of repose, compaction tests and fluidization experiments. A new elutriation behavior has been observed and characterized: for naturally ground MS-Si powders (including fine particles), particles smaller than 30 μm are entrained first, then only larger particles. This was not the case in absence of fine particles. The explanation may probably lie within the presence of polydisperse clusters, formed only in presence of fine particles. Parallel to this elutriation behavior, electrostatic measurements with an external electrometer showed that high potential with sign correlated with the type of particle elutriated are attained during elutriation. This may suggest that electrostatics is responsible for cluster formation.

On s'intéresse à la modélisation des matériaux granulaires composés d'agrégats non-convexes et cohésifs en vue d'application à la rhéologie des poudres d'UO2. L'influence du degré de non-convexité des particules est analysé en termes de grandeurs macroscopiques (frottement interne et cohésion de Coulomb) et de paramètres micro-mécaniques tels que l'anisotropie de la texture et la transmission des efforts. Il apparaît en particulier que la compacité évolue d'une manière complexe avec la non-convexité et que la résistance au cisaillement augmente mais sature sous l'effet d'imbrication entre agrégats. Des modèles simples sont introduits pour décrire ces comportements en termes de paramètres micro-mécaniques. De même, des études systématiques par cisaillement, compaction uniaxiale et compression simple montrent que la cohésion interne augmente avec la non-convexité mais est fortement contrôlée par les conditions aux limites et l'apparition de bandes de cisaillement ou de concentrations de contraintes. / We model in this work granular materials composed of nonconvex and cohesive aggregates, in view of application to the rheology of UO2 powders. The effect of nonconvexity is analyzed in terms of bulk quantities (Coulomb internal friction and cohesion) and micro-mechanical parameters such as texture anisotropy and force transmission. In particular, we find that the packing fraction evolves in a complex manner with the shape nonconvexity and the shear strength increases but saturates due to interlocking between the aggregates. We introduce simple models to describe these features in terms of micro-mechanical parameters. Furthermore, a systematic investigation of shearing, uniaxial compaction and simple compression of cohesive packings show that bulk cohesion increases with non-convexity but is strongly influenced by the boundary conditions and shear bands or stress concentration.

La généralisation des mélangeurs continu dans l'industrie est freinée par le manque de connaissance générale sur ces procédés et en particulier d'une stratégie de contrôle commande de ce procédé. Se plaçant dans cette perspective, ce travail se penche, tant du point du vue expérimental et modélisation, sur la dynamique du procédé de mélange en continu, en particulier durant les phases transitoires que sont le démarrage, la vidange ou le changement de consigne. On étudie l'effet des variables opératoires, vitesse d'agitation et débit, sur la répartition massique et les débits internes des particules dans le mélangeur, ainsi que sur les variations d'homogénéité du mélange en sortie. A ce titre, un protocole expérimental spécifique basé sur l'analyse d'images est développé pour mesurer en ligne la qualité du mélange à une échelle d'observation que l'on peut ajuster. Un cadre de modélisation Markovienne est proposé pour décrire les phénomènes observés aux échelles macro et méso. Le modèle permet de décrire la composition du mélange dans les différentes zones du mélangeur ainsi qu'en sortie de l'appareil, quel que soit le régime envisagé, notamment lors de fortes perturbations de vitesse de rotation, dont l'intérêt est discuté. / The implementation of a continuous mixer in the industry requires detailed studies for a better understanding of this process, with essential aim the development of a control process strategy. The present work reports experimental and modelling results concerning the dynamics of a continuous powder mixer in steady and unsteady states. In particular, we will focus on the transitory phases that are likely to occur : starting, emptying, feeder's feeding, accidental perturbation, etc. We investigate the effect of operating variables, as rotational speed of the stirrer and the inflow rate, on the distribution of particles mass in the mixer and the intermediates flow rates, as well as that of the homogeneity of binary mixtures at the outlet of continuous mixer. A specific experimental protocol, based on image analysis, has been developed for determining mixture quality. The scale of scrutiny can be adjusted and mixture homogeneity can be calculated for this scale in real time. AMarkov chain model is proposed to describe the phenomena observed at both macro-and meso-scales. The model allows to describe the composition of the mixture in different zones of the mixer as well as in the outlet of the vessel, during steady and unsteady regimes and especially at high speed perturbations, whose interest is discussed.

Les étapes de mélange sont souvent délicates à appréhender, car il subsiste encore des lacunes sur les lois dynamiques qui régissent ces opérations. De ce fait, la prédiction de l’homogénéité d’un mélange de poudres nécessite encore de nombreux essais. Dans ce travail de thèse, nous nous attachons à développer une méthodologie qui permet de contribuer au développement de modèles prédictifs dans les mélangeurs de poudres tout en mettant en évidence des invariants possibles pour les changements d’échelle sur ces procédés. Ainsi nous avons étudié l’agitation de poudres, avec différentes résistances à l’écoulement, dans un mélangeur convectif planétaire de type Triaxe® d’une contenance de 48 L. Des mesures de propriétés rhéologiques à l’échelle du laboratoire (rhéomètre FT4, voluménomètre) sont effectuées afin de mieux comprendre le comportement des poudres à l’échelle du mélangeur. Un mélangeur convectif prototype a été conçu dans le cadre de cette thèse. Cet appareil polyvalent constitué d’une cuve cylindrique transparente et agité par un mobile constitué de quatre pales, permet de visualiser les régimes et les mécanismes d’écoulement tout en effectuant des mesures rhéologiques. Deux régimes d’écoulement ont été identifiés (roulement, cataracte), ainsi que trois mécanismes (convection, diffusion et avalanche). Ces mécanismes ont permis d’établir un modèle stochastique, dont les paramètres ont été évalués expérimentalement pour une poudre à écoulement libre et pour une poudre cohésive. / Mixing systems are usually difficult to understand, because there is a lack of knowledge concerning dynamic laws ruling these operations. Thus, nowadays, several tests are needed to predict properly the homogeneity of a powder mix. Throughout this PhD work, a method is developed to build predictive models for powder mixers and to bring out possible invariants for scale switching on these processes. Thus the stirring of powders is studied using different flow resistances within a 48L capacity Triaxe®, a convective planetary mixer. Rheological properties measurements are done at labscale (FT4 rheometer, volumenometer) for a better understanding of powder behavior at a wider mixer scale. A prototype blender has been built for this work. This polyvalent device, made of four blades and of a transparent vessel, allows to observe flow regimes and mechanisms, and to do rheological measurements. Two flow regimes have been identified (rolling, cataracting) and three flow mechanisms (convection, diffusion and avalanching). These mechanisms allowed to do stochastic modelling, for which parameters have been evaluated with experiments for free-flowing and cohesive powders.

A number of therapeutic proteins are used for long in clinical practice. These include for example insulin, calcitonine, growth hormone, and parathyroid hormone for the treatment of various systemic disorders, as well as protein antigens in vaccine formulations. Due to the recent developments in biochemical engineering and in the comprehension of the physiopathology of many diseases, peptides and proteins are expected to become a drug class of increasing importance. Recently, novel biological drugs have for example been developed such as monoclonal antibodies, antibody fragments, soluble receptors, and receptor agonists or antagonists. These are mainly used for the treatment of auto-immune and inflammatory diseases (asthma, rheumatoid arthritis) and for the treatment of cancers. However, a major drawback of these biomolecules is the need to use parenteral administration. This is mainly due to the harsh pH conditions that proteins undergo by oral administration, leading to various physico-chemical degradations and loss of biological activity. <p><p>Pulmonary delivery of these proteins could constitute an alternative to parenteral delivery. Due to the very high surface area of the lungs, the low thickness of the alveolar epithelium and the high level of lung vascularisation, pulmonary administration can indeed provide fast systemic absorption of drugs, while avoiding hepatic first pass metabolism. On the other hand, drugs for local treatment can also be administered directly into the lung, which allows delivering high doses while limiting systemic side effects. Nevertheless, administration of drugs to the lungs requires some challenges to be taken up. It is indeed necessary to provide the drug as very small solid or liquid microparticles (1-5 µm) in order to reach the lungs. For solid microparticles, it is also needed to overcome the very high inter-particle interactions by using appropriate formulation strategies and by including deaggregation mechanisms in the inhalation device. Other issues are more specifically related to the pulmonary administration of proteins. These can indeed undergo physico-chemical degradations during processing, administration, and/or storage. Moreover, if systemic action is required, proteins will often need addition of an absorption enhancer to cross the alveolar epithelium because of their large molecular weight and hydrophilicity. <p><p>In this work, we developed formulations for pulmonary delivery of proteins using two model proteins. Insulin (5.8 kDa) was chosen as a model of small protein. It is also an application of systemic pulmonary delivery. On the other hand, an anti-IL13 monoclonal antibody fragment (54 kDa) was used as a model of larger protein. This molecule is currently in development for the treatment of asthma and provided an application for local pulmonary delivery. The formulation strategy was to produce dry powders using a combination of micronisation techniques (high speed and high pressure homogenisations), drying techniques (spray-drying, freeze-drying), and addition of lipid excipients. These lipid excipients were added as a coating around the protein particles and were expected to prevent protein degradations during processing and/or storage, essentially by avoiding contact with water. It could also improve the aerodynamic properties of the powders by modification of the surface properties of the particles and/or limitation of the capillary forces.<p><p>First, we evaluated insulin lipid-coated formulations and formulations without excipients, produced using high pressure homogenisation and spray-drying. In the case of lipid-coated formulations, a physiological lipid composition based on a mixture of cholesterol and phospholipids was used. We were able to obtain good aerodynamic features for the different formulations tested, with fine particle fractions between 46% and 63% versus 11% for raw insulin powder. These are high FPF values in comparison with those obtained for other protein formulations for inhalation currently under development, which often have an in vitro deposition of around 30%. Insulin presented a good stability in the dry state, even when no lipid coating was added.<p>The presence of a lipid coating of up to 30% (w/w) did not significantly improve the aerodynamic behaviour of the powders, but the coated formulations exhibited decreased residual moisture content after 3-month storage, which should be of interest for the long-term stability of the formulations. <p><p>In a second step, two of the developed insulin formulations were evaluated in a clinical study to determine whether the formulations give high deep lung deposition in vivo, and how insulin is absorbed into the systemic blood stream. This pharmaco-scintigraphic trial was performed on twelve type 1 diabetic patients using an uncoated formulation and a formulation coated with 20% (w/w) of lipids. The two formulations showed interesting features, with pharmacokinetic profiles that mimic the natural insulin secretion pattern. Bioavailability was within the ranges of two of the three dry powder insulins that have reached phase III clinical development. However, the formulation with a lipid coating exhibited a lower lung deposition in comparison with the uncoated formulation, which was not expected from the previous in vitro results. Additional in vitro experiments indicated that this lower performance was related to a decrease in the disaggregation efficiency of the powder at a sub-optimal inhalation flow-rate. An extensive training of the patients to the inhalation procedure could therefore improve the lung deposition of the coated formulation.<p><p>Finally, we developed and evaluated dry powder formulations of the anti-IL13 antibody fragment. These were produced using, successively, freeze-drying, high pressure homogenisation (HPH), and spray-drying. The influence of different types and concentrations of stabilising excipients was evaluated for each production step. Due to its more elaborated structure, the antibody fragment was found to be more sensitive than insulin to physico-chemical degradation, particularly during the HPH process, which led to different types of degradation products. These could partly be avoided by adding 50% sucrose during freeze-drying and 10% Na glycocholate or palmitic acid in the liquid phase during HPH (dispersing agents). However, the presence of a small fraction of insoluble aggregates could not be fully avoided. Further spray-drying of the suspensions in the presence of 10% Na glycocholate or palmitic acid led to the formation of a hydrophilic or hydrophobic coating around the particles, respectively. Na glycocholate was found to be particularly effective in protecting the antibody during spray-drying, which was found to be at least partly related to its ability to inhibit sucrose recrystallisation. However, the best formulation still presented a small fraction of insoluble aggregates (6%). The aerodynamic evaluation of the formulations showed FPFs that were compatible with lung deposition, with the formulation containing Na glycocholate presenting the highest FPF (42%). The formulation coated with palmitic acid presented a slightly lower FPF (35%). The aerodynamic properties of this formulation remained unchanged at a sub-optimal inspiratory flow rate, to the contrary of what was observed for the insulin formulation coated with 20% (w/w) cholesterol and phospholipids. Palmitic acid could therefore be of interest as a hydrophobic coating material, and provide long-term stability of protein drugs. <p>The work performed with the insulin and anti-IL13 molecules provided the proof-of-concept that it was possible to obtain dry powder protein formulations with appropriate aerodynamic properties and good overall physico-chemical stability, using simple production techniques and few selected excipients. The formulation strategy presented in this work could therefore be of interest for the future development of inhaled proteins for local or systemic applications. <p> / Doctorat en sciences pharmaceutiques / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal. / La caractérisation physique des poudres pharmaceutiques est une étape importante dans les procédés de préformulation. Cette caractérisation porte souvent sur des paramètres tels que la taille, la surface spécifique, la porosité, la densité, etc. Néanmoins, peu d'intérêt a été accordé à l'irrégularité de surface ou à la complexité de la structure. Depuis quelques années, l'analyse fractale s'est avérée être un outil efficace pour quantifier les aspects géométriques de la surface. Dans ce travail, les antiacides ont été choisis comme substances modèles. L'objectif de l'étude était de déterminer l'influence du caractère fractal de ces poudres sur leur réactivité à l'interface solide-liquide. Chaque antiacide étudié provient de trois fournisseurs. La dimension fractale de chaque produit a été déterminée selon trois méthodes : la distribution de taille des pores (DDTp), qui reflète la complexité du réseau poreux ; la méthode de Frenkel-Halsey-Hill (DFHH) et la méthode thermodynamique, encore appelée méthode de Neimark (DN), qui décrivent la rugosité de surface due à la présence de pores superficiels. De même, une caractérisation physique a été menée. Les poudres ont été examinées par microscopie électronique à balayage. La taille et la distribution de taille des particules ont été mesurées par diffraction laser. La surface spécifique et la porosité ont été déterminées par adsorption d'azote. La structure cristalline a été caractérisée par diffraction des rayons X. L'activité de neutralisation a également été mesurée. D'après les résultats obtenus, une corrélation existe entre la réactivité de neutralisation et le caractère fractal, plutôt que la surface ou la taille des particules. De plus, le rôle que joue la porosité en termes de volume total de pores a été modifié par la complexité de la structure poreuse. La complexité du réseau poreux a joué un rôle majeur dans la réactivité des différents produits. De plus, l'influence de la rugosité de surface a été démontrée lorsque l'adsorption à la surface constitue une étape limitante dans la réaction. En conclusion, l'analyse fractale s'est avérée être un outil performant pour quantifier la complexité des surfaces des solides et la corréler à la réactivité aux interfaces solides-liquides, surtout lorsque la connaissance des propriétés physiques n'est pas suffisante pour expliquer de tels phénomènes.

Dans ce travail, on développe plusieurs méthodes de mesure en ligne et non-intrusives basées sur l'utilisation de la méthode de traitement d'images et qui visent à quantifier la qualité du mélange: matrices de co-occurrence des niveaux de gris (GLCM), méthode de seuillage (tons de gris) et la méthode de couleur RGB. Cette qualité de mélange peut être atteinte en jouant sur des aspects dynamiques liés aux mécanismes qui président la mise en mouvement des particules. Ces mécanismes sont le fait, non seulement des propriétés d'écoulement des particules, mais aussi des conditions d'opération du mélangeur. Ceci a été confirmé par une étude comparative de l'état de mélange de plusieurs milieux granulaires (polymère, verre et bois) tout en se basant sur l'effet de la taille des particules, du nombre de Froude, de la charge de remplissage du mélangeur, de la concentration des constituants et par l'effet de la forme et de l'état de surface des particules selon le coefficient de frottement et la densité des particules. La ségrégation axiale a aussi été abordée en déterminant l'effet du rapport des diamètres des particules, la concentration des petites particules, la longueur du cylindre et son diamètre. Finalement, des modèles sont proposés afin de suivre le comportement du mélange en fonction du temps.

Dans le cadre de ce projet, des nanoparticules à base d'oxyde de fer, de silice et de carbone (noir de carbone et différentes formes allotropiques de carbone) sont ajoutées à des mélanges de poudres métalliques de type FC0208 contenant également un lubrifiant dans le but d'étudier l'influence de la présence de ces nanoparticules sur l'écoulement des mélanges de poudres. Les travaux consistent à élaborer des mélanges en laboratoire contenant différentes teneurs en nanoparticules et de mesurer les caractéristiques propres à l'écoulement selon les normes MPIF définies. La séquence d'addition des constituants des mélanges de même que la quantité de nanoparticules et le temps de mélange sont les variables les plus importantes afin de contrôler la distribution des nanoparticules en surface des particules mères. Les mélanges sont élaborés dans des conditions contrôlées (température de mélange, humidité). Les propriétés mécaniques d'échantillons standards produits avec ces mélanges selon des conditions typiquement rencontrées en industrie sont également caractérisées. Il a été possible d'identifier un mélange, soit le mélange FC0208 avec graphite dopé (3,49%vol Monarch 880®) et 0,023%pds R812S® ajouté 5 minutes avant la fin (0.96%vol du lubrifiant) mélangé 30 minutes, permettant une nette amélioration de l'écoulement à 34,9 s/50 g et une densité apparente intéressante à 2,78 g/cm tout en montrant une bonne homogénéité par rapport à un mélange FC0208 conventionnel sans ajout de nanoparticules présentant un comportement cohésif

Ce travail de doctorat est consacré à la production et à la caractérisation de composés polymères à base de matrices thermoplastiques en mélange avec des particules de caoutchoucs recyclés. Les principales applications visées sont: (A) la production d’élastomères thermoplastiques (TPE) à haute teneur (50% et plus) en poudrette de caoutchouc de pneus usés (GTR); et (B) l’amélioration de la résistance à l’impact des composites thermoplastiques avec de faibles concentrations en GTR. Dans la première partie de ce travail, du polyéthylène maléaté (MAPE) a été utilisé comme matrice pour produire des mélanges MAPE/GTR présentant d'excellentes caractéristiques en tant qu’élastomère thermoplastique. Puis, les effets de différents mécanismes de dégradation (humidité, chaleur et recyclage) sur les propriétés des composites MAPE/GTR ont été largement examinés afin d’évaluer le potentiel de ces matériaux après plusieurs cycles d’utilisation. Enfin, le renforcement des TPE/GTR par différentes particules solides (poudre de bois et talc) a été étudié pour des applications plus exigeantes (caractéristiques mécaniques). Dans la seconde partie de ce travail, une nouvelle approche est proposée pour la modification de la résistance aux chocs des composites à base de polypropylène renforcé par des charges organique (chanvre) et inorganiques (talc, verre). L’amélioration des propriétés à l'impact de ces composites a été réalisée par l’addition d’un mélange à base de polypropylène maléaté (MAPP) et de poudrette de caoutchouc (GTR et déchets d’EPDM) contenant des concentrations élevées (jusqu’à 70% en poids) de déchets caoutchoutiques. / This Ph.D. work is devoted to the production and characterization of polymer compounds based on thermoplastic matrix filled with waste rubber powder. The main applications include: (A) the production of thermoplastic elastomer (TPE) resins containing high ground tire rubber (GTR) contents (50% and higher), and (B) impact modification of thermoplastic composites using low concentrations of GTR. In the first part of the work, maleated polyethylene (MAPE) is proposed as a matrix to produce MAPE/GTR blends having excellent characteristics as thermoplastic elastomers. Then, the effects of different degradation mechanisms (weathering, thermal degradation and reprocessing) on the properties of MAPE/GTR compounds were extensively investigated to determine their potential for further recycling. Finally, the reinforcement of GTR filled TPE was investigated using different types of solid particles (wood flour and talc) for more demanding applications (mechanical characteristics). In the second part of the work, a new approach is proposed for impact modification of polypropylene based composites based on organic (hemp) and inorganic (talc and glass) reinforcements. The effective improvement of the impact properties of these composites is performed through the addition of a masterbatch based on maleated polypropylene (MAPP)/waste rubber powder (GTR or waste EPDM) containing high concentrations (70% by weight) of waste rubber.