Fabrication contrôlée de nanotubes de carbone : un matériau de l'avenir

L’université de Cambridge, en collaboration avec Bronkhorst, travaille sur un réacteur pour contrôler la fabrication des nanotubes de carbone. Découvrez ce fascinant projet.

John S. Bulmer (Université de Cambridge)
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En tant que scientifique à l'Université de Cambridge, je suis impliqué de très près dans un projet fascinant sur les nanotubes de carbone. En coopération avec Bronkhorst, nous travaillons sur un réacteur permettant de contrôler la fabrication de ce matériau exceptionnellement résistant et conducteur. Je vais vous en dire plus sur ce sujet et pourquoi je pense que les nanotubes de carbone sont un matériau de l'avenir.

Histoire et avenir des nanotubes de carbone (CNT)

Au départ, le carbone se présentait sous trois formes moléculaires :

  • diamant
  • graphite
  • carbone amorphe

Soudain, au milieu des années 80, une nouvelle forme moléculaire a fait surface dans la recherche et a enflammé le champ pluridisciplinaire de la nanotechnologie. Cette molécule tout carbone, le fullerène de Buckminster, est une cage d'atomes de carbone de taille nanométrique avec une structure moléculaire qui ressemble à un ballon de football.

Quelques années plus tard, un autre cousin du carbone moléculaire faisait son apparition : les nanotubes de carbone (CNT). Similaire au fullerène de Buckminster, la structure de ballon de foot est fortement allongée en un tube d'une largeur nanométrique et d'une longueur qui est des millions de fois plus grande que son diamètre. Fait scientifique captivant, les liaisons carbone puissantes du CNT avec sa structure moléculaire ordonnée en font le matériau le plus solide jamais construit. Les électrons, en tant que conducteurs unidimensionnels stables, glissent le long du CNT sans aucun effort, ce qui fait que la conductivité électrique du CNT est quatre fois plus grande que celle du cuivre avec une capacité de transport du courant maximale qui est 1000 fois supérieure à celle du cuivre.

Modèle 3D de fullerène de buckminster Photo : modèle 3D de fullerène de Buckminster

Au début des années 2000, les chercheurs ont créé des procédés pour fabriquer des textiles composés de CNT dotés d'une microstructure regroupée et alignée avec densité. Au départ, les propriétés générales des textiles en CNT étaient bien en-deçà des formidables propriétés de leurs molécules individuelles. Après une amélioration sans relâche, la fibre de CNT de pointe est tout aussi solide que la fibre de carbone conventionnelle et sa conductivité est multipliée par quatre environ. Grâce au développement continu, nous comptons obtenir des fibres de CNT qui soient significativement plus résistantes que la fibre de carbone conventionnelle avec une conductivité électrique et thermique supérieures aux métaux traditionnels comme le cuivre et l'aluminium.

Les fibres de nanotubes de carbone trouvent leur application dans les textiles résistants aux déformations (vêtements de protection, gilets pare-balles), les composites, les matériaux composés de construction (céramiques, carcasses de voiture plus légères) et les câbles du fait de leur résistance. L'utilisation des nanotubes de carbone pourrait avoir un impact énorme sur la vie quotidienne, similaire à la façon dont les plastiques ont changé le monde au milieu du 20ième siècle.

Nanotubes de carbone (CNT) à l'Université de Cambridge

Notre laboratoire a inventé un procédé de production qui crée non seulement des nanotubes de carbone dans des volumes compétitifs sur le plan industriel mais qui le fait avec une perfection graphitique inégalée pour obtenir un textile macroscopique à microstructure alignée, et ce en une seule étape de production. Ce procédé de production est intrinsèquement plus simple que les autres procédés de production de fibres comme la fibre de carbone conventionnelle et le Kevlar.

Le réacteur de dépôt chimique en phase vapeur à catalyseur flottant (F-CVD) employé dans ce procédé nécessite uniquement une source de carbone (toluène), une source de catalyseur (ferrocène) et un promoteur à base de soufre (thiophène) qui sont mélangés ensemble et alimentés dans un réacteur à tubes à 1300°C par un gaz porteur (hydrogène). Un nuage de CNT flottant est formé. L'extraction mécanique du nuage de CNT hors du réacteur à tubes condense le nuage en une fibre dense à microstructure alignée. C'est ce que l'on appelle le "CNT spinning" ou le "filage de CNT". Du personnel spécialement protégé, appelé également "fileur", extrait mécaniquement le nuage de CNT en formant une fibre.

La régulation constante du réacteur reste cependant un défi. Les propriétés du CNT varient considérablement entre les passes et le lien entre les paramètres d'entrée contrôlés et non contrôlés du réacteur n'est pas encore complètement élucidé à ce jour.

Contrôle du réacteur de nanotubes de carbone

Notre programme vise à mettre en œuvre une boucle de commande solide pour contrôler les propriétés de matériau du CNT du réacteur. Chaque variable d'entrée et de sortie du réacteur qui sont des propriétés de matériau de CNT spécifiquement sélectionnées, sont mesurées et enregistrées automatiquement dans une base de données ; cela va des conditions météorologiques extérieures, aux opérateurs, à l'âge du tube, aux concentrations de précurseur, aux flux gazeux, etc... La base de données est constamment explorée pour les corrélations, l’interaction des paramètres et les modèles de régression linéaire multidimensionnels qui fournissent des prédictions statistiques sur le comportement du réacteur à l'aide du logiciel exploratoire de données JMP™.

Par exemple, la figure 1 montre un modèle statistique pour le rapport G:D du matériau, soit le rapport entre le graphite (G) et les défauts graphitiques (D) par spectroscopie Raman, indiquant le degré de perfection graphitique. Le modèle est une fonction de différents paramètres d'entrée du réacteur que l'on a considéré comme étant les plus significatifs sur le plan statistique quant au rapport G:D. Sur l'axe horizontal du tracé ci-dessous, on peut voir les valeurs de prédiction de G:D du modèle et sur la verticale, les valeurs réelles mesurées. Dans un modèle parfait avec un contrôle parfait, on aurait une ligne droite à 45 degrés. On voit nettement que les points de données sont largement répandus le long de la ligne rouge, ce qui indique un bas niveau de régulation du réacteur.

GD ratio

Figure 1

Le paramétrage a consisté ici à simplement mélanger les précurseurs ensemble (toluène, ferrocène et thiophène) et à injecter la solution dans un gaz porteur hydrogène par le biais d'une simple pompe à engrenages. Il est apparu évident qu'un système plus sophistiqué était nécessaire pour une meilleure régulation du réacteur.

Solution de Bronkhorst pour la régulation du réacteur de nanotubes de carbone

La Figure 2 montre notre système amélioré. Les précurseurs liquides séparés sont désormais régulés indépendamment avec des instruments à effet Coriolis de Bronkhorst (gamme mini CORI-FLOW). Les débitmètres massiques à effet Coriolis fournissent des débits massiques précis sans devoir ré-étalonner entre des précurseurs différents, ce qui facilite grandement les essais de différentes recettes de CNT. Bronkhorst est le seul qui soit parvenu à appliquer le principe de l'effet Coriolis haute précision bien connu à une échelle extrêmement réduite en appliquant la technologie MEMS.

Schéma réacteur nanotubes de carbone

Figure 2

Les débits sont situés dans une plage allant jusqu'à 200 g/h pour le toluène et même en-dessous de 100 mg/h pour le thiophène. Les gaz porteurs hydrogène sont régulés par les régulateurs de débit massique robustes et prêts à l'utilisation de Bronkhorst. Enfin, les précurseurs dosés avec précision sont vaporisés et combinés aux gaz porteurs hydrogène régulés, par technologie de vaporisateur.

GD ratio

Figure 3

Avec cette nouvelle instrumentation plus sophistiquée, la modélisation statistique du réacteur de dépôt chimique en phase vapeur à catalyseur flottant est bien plus efficace. Ici, les valeurs réelles opposées à celles prévues pour la perfection graphitique sont beaucoup plus satisfaisantes, comme le montre la figure 3. Ce modèle a essentiellement moins de bruit, ce qui signifie que la réponse du réacteur est prévisible et reproductible. Jusqu'à présent, avec ce système de réacteur contrôlable et bien modélisé, nous avons plus que doublé les vitesses types de production de CNT et triplé le degré de cristallinité graphitique.

Contactez Bronkhorst

Si vous travaillez dans le domaine de la technologie des réacteurs, n'hésitez pas à nous contacter pour des solutions pour vos procédés. Contactez-nous pour de plus amples informations.

Continuez à suivre nos actualités ! Avec Bronkhorst et d'autres partenaires commerciaux, universitaires et gouvernementaux importants, nous espérons surpasser bientôt la fibre de carbone conventionnelle !

La mesure du débit massique dans le contrôle de l'ammoniac pour éviter les amendes

La mesure et le contrôle du débit d'ammoniac anhydre contribuent à réduire les NoX. Quel type de régulateur de débit choisir pour ces applications?

Chris King
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Contrôle de l'ammoniac anhydre pour réduire les oxydes d'azote.

La réduction sélective catalytique (SCR) est utilisée depuis plusieurs années en tant que technique de réduction du niveau d'oxydes d'azote (NOx) dans les gaz d'échappement des chaudières ou des fourneaux. La SCR est une technologie qui convertit à l'aide d'un catalyseur les oxydes d'azote (NOx) en azote diatomique (N2) et en eau (H2O). Un agent réducteur est injecté dans le flux d'échappement à travers un catalyseur spécial. L'un des réducteurs les plus utilisés est l'ammoniac anhydre.

Un client de Bronkhorst, qui vendait et entretenait des chaudières et des pompes pour des applications commerciales et industrielles depuis plus de 50 ans, utilisait un régulateur de débit massique (MFC) qui n'était pas suffisamment fiable ou solide, et ses clients enregistraient donc des pertes de contrôle et de mesure de leurs niveaux d'ammoniac.

Réduction sélective catalytique

Pourquoi utiliser la mesure de débit massique dans le contrôle de l'ammoniac?

Dans un système de réduction des NOx, les régulateurs de débit massique servent à réguler le débit d'ammoniac anhydre dans les gaz d'échappement d'une chaudière ou d'un fourneau, où il est adsorbé sur un catalyseur. Les gaz d'échappement réagissent avec le catalyseur et l'ammoniac, qui transforment les oxydes d'azote en azote et en eau.

Des règlements nationaux et fédéraux très stricts sur la qualité de l'air indiquent les niveaux admissibles de NOx qui peuvent être libérés dans l'atmosphère et de très lourdes amendes peuvent être prononcées si ces niveaux sont dépassés. L'entreprise avait besoin de fournir une solution fiable et robuste à ses clients. L'application exigeait un régulateur de débit massique solide, aux résultats reproductibles et pouvant être employé dans des environnements industriels.

Quels débitmètres et régulateurs de débit peuvent être utilisés pour ce type d’application ?

La solution de Bronkhorst a été de recommander un régulateur de débit massique de la série MASS-STREAM utilisant la technologie CTA (anémométrie à température constante), idéale pour éviter les problèmes d’encrassement dans les applications de gaz industriels potentiellement polluées.

Débitmètre massique MASS-STREAM

Laissez-moi vous en dire plus sur le principe de fonctionnement de ce type de régulateur de débit et pourquoi il est adapté à ces applications.

‘CTA’ est l’abréviation de Constant Temperature Anemometry, aussi appelé « mesure à passage direct » ou « mesure en ligne ». Ce principe fonctionne avec un capteur en ligne (sans bypass) et convient pour mesurer des débits de gaz ou de liquide. Le capteur de débit CTA se compose de deux sondes en acier inoxydable (une sonde de température et une sonde chauffante). Une différence de température constante est créée entre les deux sondes. Le débit et l’énergie de la sonde chauffante nécessaires pour maintenir cette Delta T sont proportionnels et indiquent donc le débit massique du gaz.

Cette technique rend un régulateur de débit massique moins sensible aux contaminations et à l’humidité. Il présente donc une solution idéale pour la mesure du débit dans le contrôle de l’Ammoniac.

Visionnez notre vidéo sur le fonctionnement et les caractéristiques des débitmètres et régulateurs de débit CTA pour gaz

Découvrez les 5 grandes raisons d’utiliser les régulateurs de débit massique avec le principe de mesure CTA.

Le secret de cette nourriture savoureuse et des délicieuses boissons qui vous accompagnent en camping : la régulation du débit massique !

Un aspect très important de la vie de camping est la nourriture et la boisson. Notre spécialiste de l’industrie, Walter Flamma, explique l’importance de Bronkhorst dans cette industrie.

Walter FLAMMA
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Dans un précédent post de notre blog, nous avons déjà abordé de nombreuses applications des solutions Bronkhorst en camping. Cependant, nous n'avons pas encore mentionné un aspect très important de la vie en camping : la nourriture et les boissons. Les crèmes glacées, les sodas, les confiseries, autant de délices étroitement liés à l'été - et à Bronkhorst. Laissez-moi vous éclairer sur ce sujet.

Aération de la crème glacée grâce aux régulateurs de débit massique

Avez-vous déjà passé un été sans manger de crème glacée ? Pas moi. Dans le procédé de fabrication de la crème glacée, l'aération est une étape cruciale. En effet, l'air représente entre 30 % et 50 % du volume total de la crème glacée. Plus l'aération est importante, plus la crème glacée sera savoureuse et onctueuse. Un des effets secondaires lorsqu'on ajoute de l'air à la crème glacée est qu'elle a tendance à fondre plus rapidement. Pour obtenir une structure de crème glacée optimale, il est important d'avoir un débit d'air entrant stable dans le procédé de production avec un rapport crème / air constant. On peut y parvenir en utilisant un régulateur de débit massique. Pour en savoir plus sur le procédé de production de la crème glacée, lisez l'article consacré au procédé d'aération sur notre blog.

Crème glacée

Processus de gazéification des sodas

Lors des journées chaudes, il est important de s'hydrater régulièrement. Ce n'est donc pas un luxe de s'offrir une délicieuse boisson gazeuse. Le "pschitt" que vous entendez en ouvrant une bouteille de soda pétillant se compose en fait de millions de molécules de dioxyde de carbone (CO2) jaillissant de leur prison liquide, où elles étaient retenues contre leur gré. Dans l'industrie du soda, il est indispensable d'avoir une solution efficace pour ajouter du gaz CO2 aux liquides de manière rapide et constante. Les fabricants de boissons gazeuses créent cette sensation de picotement en ajoutant du dioxyde de carbone et de l'eau dans votre soda à haute pression, à l'aide d'un régulateur de débit massique thermique pour gaz. Le procédé de gazéification doit être très précis. Un apport de CO2 trop faible se traduira par une boisson plate, tandis qu'une gazéification excessive peut aller jusqu'à faire exploser la bouteille, bref, dans ce cas, nous serions face à des problèmes de sécurité et de perte de produit.

Carbonatation soda

Traitement de surface pour emballages

Les boissons ne sont pas les seules à être fabriquées avec des technologies Bronkhorst. L'emballage des aliments doit répondre à de nombreuses exigences, et c'est là que les débitmètres jouent un rôle essentiel. Pour prolonger la durée de conservation, l'emballage doit être stérile et l'oxygène doit être éliminé lors du remplissage. À nouveau, il est très important d'avoir un débit précis et reproductible. Les débitmètres massiques Coriolis, les CEM (systèmes d’évaporation et de mélange contrôlés) et les régulateurs de débit massique pour gaz sont les instruments clés de ces procédés. Pour en savoir plus sur ces procédés, lisez l'article de James Walton sur le blog, dans lequel il explique la stérilisation de l'emballage pour prolonger la durée de conservation.

Dosage des additifs dans la fabrication de confiseries

Les parents parmi nous connaissent la préférence de leurs enfants pour les confiseries, en raison de leur goût sucré mais aussi de leurs couleurs attrayantes. Lors de la fabrication de confiseries, des additifs tels que des colorants, des arômes et des acides sont ajoutés. Grâce aux débitmètres volumiques à ultrasons, la précision de mesure a été améliorée, de même que le contrôle qualité du procédé de fabrication. De nombreux colorants et arômes sont des agents onéreux, et une utilisation maîtrisée et efficace de ces substances permettra d'obtenir un produit de meilleure qualité et d'économiser également sur les matières premières.

Bonbons sans gélatine

Le dosage des colorants ne s'applique pas qu’aux aliments. Une fois le dîner terminé, il y a une chose que tout le monde fuit, d'autant plus pendant les vacances ...

Dosage des colorants dans le produit vaisselle grâce aux régulateurs de débit massique Coriolis

… la vaisselle ! Il s'agit là d'une des tâches les plus fastidieuses en camping, surtout quand on a l'habitude du lave-vaisselle à la maison. Mais grâce à Bronkhorst, faire la vaisselle devient une mission colorée. Les régulateurs de débit massique Coriolis sont utilisés pour doser les colorants. Cela s'applique notamment à la production de produit vaisselle. Comme pour les arômes, la précision et la reproductibilité dans le dosage du colorant sont particulièrement importantes pour un fabricant de produit vaisselle. Chaque flacon doit avoir la même couleur, vous ne devriez pas percevoir la moindre différence de couleur entre les flacons dans les rayons. Grâce à la combinaison d'une pompe et de régulateurs de débit massique Coriolis, la pompe traite le débit massique au lieu du débit volumique habituel. Le débit massique réel étant indépendant des propriétés du fluide, et ici du colorant, la précision sera inégalée.

Produit vaisselle

Comme vous venez de le lire, Bronkhorst est présent dans de nombreux produits utilisés en camping, peut-être sans que vous vous en doutiez.

Des applications de camping rendues possibles grâce à la régulation du débit massique

Vous prévoyez également de partir en vacances en camping? Notre spécialiste de l'industrie, Gerhard Bauhuis, explique de nombreuses applications que vous rencontrez en camping.

Gerhard BAUHUIS
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Les températures prennent de l'altitude ! Pendant tout l'hiver, vous avez rêvé de camping, de voyage dans votre caravane et avez planifié de fantastiques voyages en famille. Voici enfin venu le temps de tout laisser derrière vous et d'oublier, l'espace d'un instant, la folie du quotidien et les problèmes de la maison. Quelle que soit votre destination, Bronkhorst vous accompagnera. En effet, Bronkhorst joue un rôle dans bien plus d'applications que ce que l'on pourrait croire, notamment en camping. Suivez-moi à travers une gamme de produits courants en camping et l’implication des régulateurs de débit massique.

Traitement de surface

Si vous partez en vacance en voiture, vous tomberez constamment sur des solutions Bronkhorst. Commençons par le tableau de bord de votre voiture. De nombreuses voitures possèdent un tableau de bord en cuir ou, du moins, qui a un aspect cuir. Une grande entreprise fabrique une « peau » qui vient recouvrir le tableau de bord et lui donne son « aspect cuir ». Le procédé de production implique de projeter du polyuréthane liquide coloré dans un moule en nickel. La combinaison d'un régulateur de débit massique Bronkhorst et d'une vanne est à la base de cette solution : elle permet de diffuser un agent démoulant externe précis sur la surface du moule en nickel.

Tableau de bord

Ce n'est pas tout : la mousse du tableau de bord est également fabriquée à l'aide de produits Bronkhorst. Dans la création de la mousse, on retrouve un gaz contenant de l'acrylonitrile-butadiène-styrène (ABS) ou du polyvinylchlorure (PVC) qui lui donnera la forme voulue. S'il y a trop de gaz, la mousse sera instable et s'il y en a trop peu, elle formera un bloc lourd et solide. Pour cette raison, il est capital d'utiliser la bonne quantité de gaz à l'aide d'un régulateur de débit massique précis pour gaz.

Revêtement de verre

Si vous regardez derrière votre tableau de bord, vous verrez la route à travers le pare-brise. Les régulateurs de débit massique thermique de Bronkhorst utilisés dans le procédé de revêtement permettent de maîtriser la transmission de la lumière à travers la vitre, mais servent également à ce que le verre rejette davantage l'eau, soit mieux protégé face aux stress mécaniques et chimiques et ait une meilleure résistance face aux rayures et aux chocs. La régulation individuelle du débit massique de gaz améliore l'uniformité de l'épaisseur du film.

Revêtement des phares avant

Lorsque le polycarbonate a remplacé le verre des phares avant au début des années 1980, cela a posé de nouveaux problèmes. Ces phares sont soumis à des conditions sévères. Au vu de leur position à l'avant de la voiture, les paramètres critiques pour la longévité et la performance est la résistance aux intempéries, aux rayures et à l'usure. Afin de protéger les phares avant de ces facteurs, des revêtements résistants aux rayures et à l'usure ont été développés. Ceux-ci sont projetés sur les phares à l'aide de machines dans lesquelles le mini CORI-FLOW de Bronkhorst régule le débit des embouts de projection.

Revêtement hydrophobe

Toutefois, les applications de traitement de surface ne se limitent pas au verre et aux tableaux de bord. Si vous êtes habitué au camping, vous saurez à quel point la météo de l'été peut parfois être impitoyable. L'auvent de votre caravane doit être résistant à l'eau - à l'instar de votre imperméable - si vous voulez qu'il supporte les lourdes averses qui surviennent de temps en temps. Pour rendre le tissu et le textile hydrophobes, Empa (un institut de recherche du domaine des EPF) utilise une polymérisation plasma pour appliquer de fines nanocouches sur les tissus et les fibres. Pour ce faire, il a recours à un système d'évaporation et de mélange contrôlés, soit un système CEM. Un système CEM est un système d'évaporation du liquide innovant qui peut être appliqué pour des procédés atmosphériques ou sous vide. Dans un des précédents articles de notre blog intitulé « Le CEM : une technique innovante de production de vapeur », nous abordons cette technologie plus en détail.

auvent de camping

Les régulateurs de débit massique sont utilisés pour imperméabiliser les auvents

Odeurs

Bronkhorst se cache également derrière de nombreuses petites applications que l'on retrouve en camping. Nombreux sont les campeurs qui apprécient encore le confort du gaz pour se chauffer ou faire la cuisine. Mais le gaz nous permet également d'allumer le barbecue beaucoup plus rapidement qu'à l'ancienne, avec ces briquettes parfois si difficiles à enflammer. Quand le gaz s'échappe d'un réservoir sous pression, on le remarque à son odeur puissante. Toutefois, comme Sandra Wassink l'indiquait dans son article « Comment les régulateurs de débit massique permettent d'odoriser le gaz naturel ?», le gaz à l'état naturel n'a pas d'odeur. L'odeur est expressément ajoutée au gaz naturel grâce à l'ajout régulé d’agents odorants comme le tétrahydrothiophène (THT) ou le mercaptan à l'aide d'un régulateur de débit massique.

Barbecue

Restons sur le thème de l'odeur un instant. Quand nous voulons chasser les moustiques des environs et que nous en avons assez d'utiliser la tapette, nous allumons souvent une bougie à la citronnelle. Avec la technologie de dosage CORI-FILL, Bronkhorst propose une configuration facile d'utilisation pour doser une odeur comme la citronnelle dans la bougie. L'ajout d'une odeur à une bougie doit faire l'objet d'un contrôle soigneux pour garantir que la bougie brûlera sainement et en toute sécurité. Pour en savoir plus sur la production de bougies parfumées, n'hésitez pas à lire l'article de Graham Todd.

Éclairage LED

Certes, une bougie peut apporter beaucoup de lumière autour de la table, mais vous ne l'emporterez pas pour vous précipiter aux toilettes du camping pendant la nuit. Vous utiliserez plutôt une lampe de poche. Bronkhorst joue un rôle dans le principe de fonctionnement de la LED (Light Emitting Diode) dans cette lampe de poche. La LED fonctionne selon le phénomène dit d'électroluminescence, soit l'émission de lumière depuis un semi-conducteur (diode) sous l'influence d'un champ électrique. En appliquant un matériau semi-conducteur comme le phospo-arséniure de gallium par exemple, il est possible de créer des diodes émettant de la lumière rouge, orange et jaune.

Torche

J’ai déjà évoqué beaucoup d’applications de camping, mais ce que j’ai décrit n’est qu’une mince partie des nombreuses applications dans lesquelles nous sommes impliqués. J'espère que cela vous aura permis de mieux comprendre l'importance de Bronkhorst dans de nombreux secteurs, notamment en équipement de camping.

Caractérisation des domaines atmosphérique et de la combustion en physico-chimie

Un chercheur du Laboratoire PC2A (Physicochimie des Processus de Combustion et de l’Atmosphère), explique de quelle façon les régulateurs de débit massique sont utilisés dans la caractérisation des domaines atmosphérique et de la combustion en physico-chimie.

Laure PILLIER
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Étant chercheuse au laboratoire PC2A, je suis quotidiennement confrontée au sujet du faible débit. Le laboratoire PC2A (Physico-Chimie des Processus de Combustion et de l’Atmosphère) est une unité de recherche publique multidisciplinaire (CNRS/Université de Lille), dont l'activité est organisée autour de la physico-chimie des processus de combustion et de l’atmosphère. Sommairement, la physico-chimie est une sous-discipline de la chimie qui étudie les propriétés physico-chimiques des substances. Les appareils Bronkhorst sont cruciaux dans nos recherches : nous les utilisons pour mesurer et surveiller ces substances lors de diverses expériences. Dans cet article de blog, je vais vous expliquer l'objet de nos recherches et pourquoi nous avons besoin de réguler le débit massique.

Laboratoire PC2A

Activités de recherche du laboratoire PC2A

Les recherches menées au sein du laboratoire PC2A portent sur les thématiques de l'énergie et de l'environnement. Elles réunissent environ soixante personnes regroupées en trois équipes de recherches, chacune avec sa spécialité :

1. Physico-Chimie de la Combustion

Notre première équipe de recherche étudie la physico-chimie de la combustion. Le but premier de cette étude est de comprendre la chimie de la combustion : comment, par exemple, se forment certains polluants tels que les oxydes d'azote (Nox) et la suie dans les flammes. Nous élaborons des mécanismes cinétiques détaillés de l'oxydation et de l'auto-inflammation de substances parmi lesquelles les biocarburants, l'hydrogène, les carburants synthétiques, la biomasse ou encore le charbon. Tout cela grâce à notre vaste plateforme expérimentale équipée d'une machine à compression, de procédés de diagnostic laser et que nous pouvons enflammer.

2. Physico-Chimie de l'Atmosphère

L'équipe de recherche « Physico-Chimie de l'Atmosphère » examine la cinétique chimique liée à la réactivité atmosphérique. Les deux axes principaux de cette discipline qui nous intéressent sont :

  1. La réactivité atmosphérique homogène et hétérogène afin de comprendre la transformation des gaz et particules polluants (pollen, suie) dans l'atmosphère.
  2. La qualité de l'air au moyen de caractérisations et simulations expérimentales dans des environnements intérieurs et de plein air, les sources de pollution et également les impacts sur la santé et le climat.

Pour ces expériences nous concevons des appareils de laboratoire qui permettent d'établir la réactivité d'espèces importantes intervenant dans les processus atmosphériques chimiques et notamment les espèces réactives (radicaux). Afin de mener à bien nos études, il est impératif que nous connaissions exactement la quantité de gaz fournie aux réacteurs du laboratoire puis la concentration des réactifs dans le système chimique. A cette fin, nous utilisons les régulateurs de débit massique de Bronkhorst EL-FLOW Select. Ces appareils nous permettent de réaliser rapidement des études paramétriques grâce à leur temps de réponse courts et leur répétabilité élevée. De plus, la consistance du débit est cruciale à l'obtention de mesures précises.

3. Sûreté Nucléaire : Cinétique chimique, Combustion, Réactivité

Notre troisième équipe résulte d'une collaboration entre le PC2A et le Pôle de Sûreté Nucléaire (PSN) de l'IRSN (Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire). Ensemble, ils travaillent sur la réactivité thermodynamique et chimique des produits de fission. L'objectif principal de cette recherche est la validation des estimations des émissions de produits radio-contaminants en cas d'accident nucléaire. Pour cela nous avons recours à la modélisation des développements ainsi qu'à des études expérimentales.

Des régulateurs de débit massique pour la physico-chimie

Le laboratoire PC2A utilise plusieurs régulateurs de débit massique Bronkhorst. Ils ont été sélectionnés pour leurs caractéristiques dont les temps de réponse courts et leur répétabilité élevée. Ils sont également faciles à opérer avec le logiciel Labview. Enfin, la possibilité d'exporter les données et la flexibilité qu'ils offrent quant au changement d'un régulateur à l'autre font des appareils Bronkhorst les outils les plus adaptés à nos expérimentations. Dans nos laboratoires nous utilisons les régulateurs de débit massique thermique (gamme EL-FLOW Select) ainsi que les régulateurs à faible perte de charge (instruments LOW DP-FLOW).

Instrument de mesure LOW-DP-FLOW

Visionnez la vidéo du principe de fonctionnement du régulateur EL-FLOW select.

Vous pourrez découvrir toutes les caractéristiques d'un produit en consultant sa page.

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Comment la régulation du débit massique peut-elle être bénéfique aux athlètes ?

Les débitmètres / régulateurs de débit massique peuvent être utilisés pour valider les produits respiratoires et répondre aux réglementations légales.

Johan van' t Leven
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Le Tour de France a débuté cette semaine et tous les cyclistes se sont entraînés depuis des mois pour cet évènement particulier. Mais auriez-vous pu imaginer un seul instant que la mesure du débit puisse avoir une influence sur les performances des cyclistes ? Et pourtant …

Il y a quelques temps, j’ai eu la chance de rendre visite à la société Relitech à Nijkerk. Cette société est spécialisée dans le développement et la conception de solutions fiables de soins de santé. J’ai pu m’entretenir avec les deux directeurs Ivar Donker et Henk van Middendorp au sujet des activités de Relitech dans l’industrie médicale et de leur simulateur métabolique. Leur enthousiasme et leur dévouement à l’égard de leur travail m’ont amené à mieux comprendre leurs objectifs et l’importance d’une société comme Relitech.

Directeurs Relitech

En sport, tout est question de performances. Les athlètes sont contraints de repousser leurs limites et ce sont les détails qui posent problème, plus qu’ailleurs. Quelques centièmes de secondes peuvent faire une différence significative, par exemple dans une course pour la médaille d’or. Tester la condition et l’endurance des athlètes constitue donc un aspect important du contexte général de leurs performances. Cela leur permet de s’entraîner plus efficacement et les résultats peuvent s’avérer utiles pour modifier, par exemple, leur régime alimentaire. Jusqu’ici, un dispositif de fonction pulmonaire pouvait être utilisé pour les mesures métaboliques ; ces systèmes communiquent généralement facilement avec les ECG, vélos et autres dispositifs externes pour permettre un test complet de l’exercice cardio-pulmonaire.

Toute la question est de savoir comment peut-on atteindre les meilleures performances tout en respectant les règlementations légales. Validation est le mot magique. A cet effet, Relitech a mis au point un simulateur métabolique. Voici certains détails techniques d’un tel dispositif !

Test exercice cardiopulmonaire

Simulateur métabolique : un contrôle de qualité pour les produits respiratoires

Pour que les produits respiratoires, tels que les dispositifs de fonction pulmonaire, continuent d’offrir des performances élevées, ils doivent être homologués afin de répondre aussi aux exigences des règlementations légales. Actuellement, le contrôle de qualité de tels dispositifs est limité en raison du fait que chaque capteur (O2, CO2 et débit) est calibré séparément, sans tenir compte de l’interaction dynamique critique entre chacun des capteurs. Relitech a donc imaginé une solution de terrain pour ses clients en mettant au point ce simulateur métabolique.

Simulateur métabolique

Régulateur de débit massique thermique

Alors que nous nous rapprochons de la réponse à la question que j’ai posée au tout début de ce post, il nous faut creuser un peu plus au sujet du simulateur Relitech. Tout d’abord ce dispositif est complètement mobile, ce qui permet de le transporter facilement, et ensuite, il est idéal pour les tests sur site (par exemple au sein d’un dispositif de fonction respiratoire utilisé pour les athlètes).

Le simulateur produit un mélange d’azote pure et de dioxyde de carbone à l’aide de deux régulateurs de débit massique thermique Bronkhorst. Le mélange de ces deux gaz permet de reproduire des schémas d’échange de gaz respiratoire en temps réel et quasiment identiques aux schémas respiratoires humains. Il en résulte ce que l’on appelle des capnographes, lesquels ressemblent à ceux des athlètes, par exemple. Les valeurs de capnographe sont visibles sur l’écran d'affichage du simulateur métabolique. La valeur V’CO2 représente la quantité expirée de dioxyde de carbone, et la valeur V’O2 correspond à la quantité d’oxygène inspirée. BF est simplement l’abréviation pour « breathing frequency » (fréquence respiratoire).

« L’utilisation de régulateurs de débit massique n’a rien de neuf pour moi », explique Van Middendorp. « Je participais déjà à la conception de systèmes de fonction pulmonaire bien avant de rejoindre Relitech en 2002 ».

« Lorsque nous avons commencé à développer le simulateur métabolique chez Relitech, nous étions à la recherche de régulateurs de débit massique compacts et extrêmement précis. C’est là que mon chemin a croisé celui de Bronkhorst. C’est en partie grâce à l’utilisation de ces régulateurs de débit thermiques compacts que nous sommes parvenus à mettre au point un modèle de simulateur encore plus compact ».

Relitech, une technologie fiable

C’est avec passion et dévouement que Relitech met au point une technologie fiable en se concentrant sur les composants électroniques, les logiciels et les logiciels intégrés. Outre l’assistance en matière de technologie de mesure, leur principale compétence est dans le domaine médical, avec des applications telles que la mesure de la fonction pulmonaire, l’anesthésie et l’hyperthermie. La société a reçu pour cela la certification ISO13485. En collaborant étroitement avec divers universités, instituts académiques, multinationales et petites entreprises, Relitech s’est constitué un portefeuille client impressionnant et très varié.

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Prêt pour le Tour de France

Il est donc temps, pour tous les athlètes, de mettre la touche finale et de se préparer pour 2018. Selon vous, qui sera le vainqueur du Tour de France 2018 ?

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