Analysis of the morphological properti es of latex aggregates generated in agitated reactors or reactors with controlled hydrodynamics
Analyse des propriétés morphologiques d'agrégats de latex générés en réacteurs agités ou réacteurs à hydrodynamique contrôlée
Résumé
A particular industrial application of interest to ARKEMA is targeted in this thesis. It concerns the aggregation of core-shell latex, whose production represents a real economic and societal challenge. This is achieved in a cascade of stirred reactors fed with a suspension of latex nanoparticles under specific conditions. The aim of this work is to gain a better understanding of the phenomena involved in the aggregation process of core-shell copolymer latex nanoparticles, produced by ARKEMA, which impact the size, shape and structure of the aggregates formed. More specifically, the study aims to analyze the effect of hydrodynamic conditions on the evolution of morphological properties during the aggregation process for varying solid concentrations, ranging from relatively dilute to dense conditions in order to approach industrial conditions. In the first part of the thesis, the latex coagulation/aggregation batch process was reproduced on a laboratory scale, and aggregation experiments were carried out under conditions similar to industrial conditions for latex particle aggregation. These experiments were used to analyze the effect of physicochemical (pH, temperature, solid concentration, etc.) and hydrodynamic (stirrer speed) conditions on aggregate properties (aggregate size and shape distribution). In the second part of the thesis, a model reactor reproducing the geometry (tank and mobile agitation) of industrial reactors was designed and the experimental analysis of the hydrodynamics of the reactor was carried out by PIV (Particle Image Velocimetry) to acquire the instantaneous velocity fields and then perform statistical processing of the data. Finally, latex aggregation experiments under different conditions were carried out in this stirred tank, as well as in a Taylor-Couette device, combining image acquisition of aggregates during the experiments. The aim of data processing was to determine the size and shape distributions of aggregates over time.
Une application industrielle particulière qui intéresse la société ARKEMA est ciblée dans ce travail de thèse. Il s’agit de l’agrégation de latex de type coeur-coquille dont la production constitue un véritable enjeu économique et sociétal. Celle-ci est réalisée dans une cascade de réacteurs agités alimentée par une suspension de nanoparticules de latex dans des conditions spécifiques. L'objectif de ce travail est de mieux comprendre les phénomènes en jeu au cours du processus d'agrégation de nanoparticules de latex de copolymères de type coeur-coquille, produits par ARKEMA, qui impactent la taille, la forme et la structure des agrégats formés. Plus spécifiquement, l’étude vise à analyser l’effet des conditions hydrodynamiques sur l’évolution des propriétés morphologiques au cours du procédé d’agrégation pour des concentrations en solide variables, allant de conditions relativement diluées à denses afin de s’approcher des conditions industrielles. Dans une première partie du travail de thèse, le procédé batch de coagulation/agrégation du latex a été reproduit à l’échelle du laboratoire et des expériences d'agrégation ont été réalisées dans des conditions similaires aux conditions industrielles d’agrégation des particules de latex. Ces expériences ont permis d'analyser l'effet des conditions physico-chimiques (pH, température, concentration solide, …) et hydrodynamiques (vitesse de l’agitateur) sur les propriétés des agrégats (distribution de taille et de forme des agrégats). Dans une deuxième partie de la thèse, une maquette froide reproduisant la géométrie (cuve et mobile d'agitation) des réacteurs industriels a été conçue et l’analyse expérimentale de l’hydrodynamique du réacteur a été réalisée par PIV (Particle Image Velocimetry) en vue d'acquérir les champs de vitesse instantanée puis d'effectuer un traitement statistique des données. Enfin, des expériences d'agrégation de latex sous différentes conditions ont été conduites dans cette cuve agitée ainsi que dans un dispositif de Taylor-Couette en associant une acquisition des images d'agrégats en cours d'expériences. Le traitement des données a permis la détermination des distributions de taille et de forme des agrégats au cours du temps
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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