Analyse des traitements polymère par spectroscopie infrarouge

Nous avons vu, comme dans la bibliographie, que la sédimentation et les mesures d’angle de mouillage révèlent la présence de polymère en surface des poudres après traitement. Mais, nous ne savons pas comment ces polymères ont réagi avec la surface des grains, et quels sont les types de liaison chimique impliqués ? L’ATG nous a permis de répondre à une partie de ces questions, mais il est intéressant de voir si, à l’aide de la spectroscopie infrarouge, nous arrivons d’une part à obtenir des résultats comparables, d’autre part à répondre aux questions restées en suspens.  La spectroscopie infrarouge est classiquement utilisée pour analyser les poudres [5, 7, 8, 14, 15, 19, 22-32]. Les atouts de la technique sont nombreux. Rappelons en effet que c’est une méthode a priori quantitative, en absorbance, informant sur les liaisons chimiques présentes dans le matériau. Elle permet de déterminer la quantité relative de polymère présente si une bande d’absorption caractéristique du polymère peut être analysée. Il est théoriquement possible d’observer de nouvelles bandes caractéristiques si des liaisons chimiques sont formées entre le polymère et la surface du pigment [7, 8, 14, 23-27, 31, 32]. Cette méthode présente donc un intérêt certain à condition de démontrer sa faisabilité et sa reproductibilité. Nous présenterons la mise au point de cette méthode sur l’alumine lamellaire et l’appliquerons ensuite aux autres pigments. organiques. Il est nécessaire que l’intensité des bandes mesurées en absorbance soit inférieure à une densité optique (DO) de 1. Cette contrainte va conditionner la concentration maximale admissible et l’épaisseur de l’échantillon, qui sont deux paramètres variables de l’analyse. Une masse connue de pigment est introduite dans une masse connue de poudre de KBr, dispersée puis compactée dans une presse. Nous avons exploré un domaine de concentration massique allant de 1 % à 6 % soit une concentration volumique comprise entre 0,6 % et 4 %. Les pastilles d’un diamètre de 13 mm et d’épaisseur homogène, comprise entre 27 µm et 85 µm, sont directement placées dans le faisceau pour analyse. Une pastille de KBr pur, de même épaisseur que l’échantillon, sert de référence pour chaque analyse.

La concentration de pigments, l’incorporation des grains dans la poudre de KBr et les conditions de compactage peuvent influer sur la qualité des spectres infrarouge. Une concentration trop faible donne un signal qui est à peine supérieur au bruit de fond. Le rapport signal/bruit pourrait être augmenté par un accroissement du nombre de scans mais le manque de stabilité de guidage du miroir mobile du spectromètre 510P ne permet pas d’accroître sensiblement la valeur du rapport signal/bruit. C’est la raison pour laquelle nous avons choisi d’effectuer l’acquisition sur 120 scans. Le pigment et le KBr en poudre sont pesés avec une balance Sartorius BP 221S, précise à 0,1 mg. Ils sont ensuite mélangés avec un mortier et un pilon en agate pendant 15 minutes puis introduits dans le dispositif de pastillage (Spectra- Tech Macro-Micro KBr die kit) d’un diamètre de 13 mm. La poudre est compactée à température ambiante dans une presse Daragon sous une force de 2,5 tonnes, soit 1900 bars dans la pastille pendant plusieurs minutes, puis le disque est extrait de la pastilleuse pour effectuer la mesure infrarouge. Une étude de reproductibilité a été menée en reproduisant le même protocole sur des prélèvements de poudre différents jusqu’à l’enregistrement des spectres infrarouge. L’analyse de l’effet des différents paramètres de préparation de l’échantillon montre que les deux paramètres critiques sont bien entendu la concentration de pigments mais également le temps de compactage. situés entre 1680 cm-1 et 1800 cm-1. Ce sont des fonctions caractéristiques des polymères qui potentiellement peuvent être impliquées dans une réaction chimique du polymère sur la surface de l’alumine. Il va falloir séparer ces deux contributions. Par conséquent il faudra approximer la ligne de base par des fonctions quadratiques, à faible et à grand nombre d’onde de part et d’autre du pic d’absorption. Nous avons appliqué une loi de mélange dans le domaine d’existence du pic en tenant compte de la fraction de pic impliquée (fig. IV.27). Il faut appliquer des itérations pour converger vers une solution stable, trois itérations suffisent pour obtenir une convergence à 1 % de la valeur d’absorption du pic, qui est l’intégrale de la densité optique en fonction du nombre d’onde. Cette méthode a priori est plus correcte que d’appliquer une interpolation linéaire. Nous avons programmé cette méthode sur un tableur excel. Trois enregistrements obtenus de la même façon sur trois pastilles préparées dans les mêmes conditions donnent les mêmes spectres d’absorption qui après traitement donnent les mêmes valeurs d’absorption, à 5 % relatif près.