S'adapte comme un gant : caractérisation des particules pour la production de gants en latex

Problématique / Besoin :

De nombreux facteurs affectent les propriétés chimiques et mécaniques des gants en latex, par exemple le type de moule, le composé de latex, les paramètres de trempage, ainsi que le potentiel zêta et la taille des particules de latex. Dans le présent rapport d'application, nous utilisons des mesures du potentiel zêta et deux techniques de dimensionnement des particules différentes (diffusion dynamique de la lumière et diffraction laser) pour caractériser les dispersions de latex synthétiques ainsi qu'un accélérateur de vulcanisation. 

Méthode utilisée / Réponse apportée :

1. Introduction

Les gants protecteurs et médicaux en latex sont faits de latex de caoutchouc et résistent aux produits chimiques ainsi qu'aux micro-organismes sans renoncer à la sensibilité pour un travail précis. La matière première du latex  de caoutchouc naturel (NRL) est obtenue à partir de la sève de l'hévéa. Le NRL est toujours utilisé pour une large gamme de produits tels que les pneus, même si 60% de la demande mondiale est aujourd'hui couverte par le caoutchouc synthétique. Dans le passé, le NLR était également le matériau principal pour la production de gants médicaux et de protection, mais il est aujourd'hui de plus en plus remplacé par du latex synthétique. Ces matériaux, tels que le polyisoprène synthétique, le chloropène ou le latex NBR (nitrile), sont fabriqués à partir de matières premières pétrochimiques. Bien que la principale raison du remplacement du NRL pour la fabriction de gants soit d'éviter les réactions allergiques au caoutchouc, qui sont déclenchées par la protéine allergène Hev b, le latex synthétique moderne offre également une meilleure résistance chimique et souvent un confort de port supérieur par rapport au caoutchouc naturel. La matière première de latex naturelle et synthétique doit être traitée afin d'améliorer la qualité du produit final, qui est fabriqué par le soi-disant "procédé d'immersion de coagulant". 

Dans un premier temps, la dispersion de latex est concentrée jusqu'à 60% par une étape de centrifugation qui, dans le cas du NRL, permet également d'éliminer la majorité des protéines allergiques. Des additifs tels que des antioxydants sont ajoutés pour augmenter la durée de conversation des gants, et des accélérateurs de vulcanisation sont nécessaires pour obtenir un caoutchouc réticulé dans un délai raisonnable. Des moules d'immersion en céramique sont utilisés pour former les gants. Les céramiques présentent une capacité thermique élevée, sont simples et peu coûteuses à produire et présentent peu d'usure. Les moules en céramique sont montés sur un système de trempage à chaîne dans lequel des paires de moules sont séquentiellement immergées dans différents mélanges aqueux, puis passées à travers divers fours. Tout d'abord, les moules sont plongés dans le coagulant, une solution saline chaude qui se compose généralement de chlorure de calcium ou de nitrate de calcium. Lorsque le moule est retiré de la solution saline, l'eau s'évapore et un très mince film homogène de Ca2+ reste à la surface du moule. Ensuite, les moules sont plongés dans la suspension de latex, où la coagulation du latex se produit immédiatement et un mince film de latex est formé sur le moule en céramique. La concentration de Ca2+ dans le coagulant et la teneur en solides de la suspension déterminant l'épaisseur du film. Après cette étape du processus, soit des couches coulissantes sont ajoutées aux gants, soit elles sont chlorées pour les rendre plus faciles à enfiler. Les gants fraîchement moulés sont lessivés avec de l'eau chaude pour éliminer les produits chimiques ou les protéines indésirables. Enfin, pour développer les propriétés élastiques, le film de latex sur la surface du moule est vulcanisé à 130° C, moyennant la combinaison de soufre, d'accélérateur et de chaleur provoque la réticulation du caoutchouc. Le gant est ensuite automatiquement décollé et séché pour éliminer toute humidité. Ensuite, il est à nouveau lavé pour obtenir les propriétés de surfaces finales des gants, et enfin séchée dans un sèche-linge. 

La diffusion dynamique de la kumière (DLS) est utilisée pour surveiller la taille des particules des suspensions de latex avant et après l'étape de "compoundage". Le caoutchouc naturel est constitué de particules en suspension dans une solution aqueuse, avec une taille de particule comprise entre 300 nm et µm. Les caoutchoucs synthétiques présentent des tailles de particules comprises entre 100 nm et 1µm. Puisque le caoutchouc synthétique est traité par polymérisation et que la taille est un paramètre critique pour son traitement, la taille des particules peut être contrôlée par DLS. La granulométrie de la suspension de latex a un impact important sur les propriétés de formatin du film, la cinétique de réaction et le comportement de coagulation (synérèse et vulcanisation). Le test de la taille des particules est également important pour assurer la stabilité du processus et des qualités de produit constantes. Comme des charges inorganiques peuvent également être ajoutées au caoutchouc, une analyse granulmétrique peut être nécessaire pour caractériser également les additifs. Les mesures du potentiel zêta peuvent être un outil utile pour surveiller le processus de coagulation du latex. La coagulation des particules n'est pas favorisée dans les cuves, mais doit avoir lieu au contact des moules. Les particules de caoutchouc sont constituées d'une membrane protéique chargée négativement qui entoure les molécules de caoutchouc. Les membranes protéiques et les particules ne coagulent pas. Une coagulation indésirable peut être  due à des bactéries, qui produisent des acides, mais peut être accélérée en ajoutant en ajoutant de l'acide formique pour neutraliser les charges de surface des particules, provoquant la coagulation des particules. En raison de la collision de particules pendant la coagulation, les membranes protéiques se brisent et libèrent les polymères de caoutchouc de l'intérieur vers le solvant, qui colle ensuite ensemble. 

Comme la suspension de latex est pompée dans les deux sens dans les cuves, elle doit rester stable et ne pas coaguler dans les cuves d'immersion pendant de longues périodes de temps. Cependant, la suspension doit coaguler sur la surface du moule le plus rapidement possible. Ceci peut être réalisé en faisant correspondre la charge de la surface du moule avec la charge de particules de la suspension afin  que les deux se neutralisent, car cela déclenchera la coagulation. Une autre technique de mesure utile pour surveiller le processus de fabrication du latex est la diffraction laser. Il est utilisé pour contrôler la taille des particules des matériaux de mélange, qui sont généralement des dispersions contenant du soufre pour la vulcanisation, des antioxydants, des pigments ou des agents de durcissement. Si les particules sont trop grosses ou s'agglomèrent facilement, elle sédimenteront dans la cuve d'immersion et affecteront donc la qualité du produit final. Les entreprises qui fournissent ce type de dispersion pour les fabricants de gants utilisent la diffraction laser pour le contrôle de la qualité de leurs produits. Certains fabricants de gants achètent également les composés individuels aux-mêmes, les broient jusqu'à ce qu'ils atteignent la gamme de tailles souhaitée et les dispersent éventuellement. En plus de l'impact de la taille des particules sur la cinétique de réticulation du composé du latex et le broyage sont un aspect très consommateur d'énergie dans le processus de fabrication qui doit être contrôlé afin de réduire les coûts. 

2. Expérimentation

Quatre échantillons de latex différents et un accélérateur de vulcanisation ont été obtenus auprès d'un fabricant de gants en latex : 

• Echantillon A 
• Echantillon A + matériau composé
• Echantillon B
• Echantillon B + matériau composé
• Echantillon C 

Diffusion électrophorétique de la lumière (ELS)

Les suspensions fortement concentrées et troubles ont nécessité une étape de dilution pour obtenir un échantillon qui convient aux mesures ELS et DLS. A cet effet, 1 µl de l'échantillon a été dilué avec 999 µl d'eau déminéralisée filtrée et le pH a été aujsté à pH 10, afin de restaurer le pH d'origine des échantillons et d'éviter l'agrégation des particules. Les échantillons étant fortement concentrés, l'Univette a été utilisée à cette fin et immergée dans l'échantillon puis insérer dans le module Litsizer. Trois mesures consécutives ont été effectuées à 20° C. Le nombre de courses et la tension ont été automatiquement optimisés par l'instrument. 

Diffusion dynamique de la lumière

Pour obtenir des informations sur la taille des émulsions de latex, des mesures granulométriques ont été effectuées en utilisant le même échantillon que pour les mesures ELS. Les mesures ont été effectuées à 20°C avec un Litsizer 500 utilisant des cuvettes de quartz. L'angle, le filtre et la position de mise au point ont été sélectionnées automatiquement par l'instrument. Les mesures ont été effectuées en triple. 

Diffraction laser pour le matériau composé

L'échantillon C, une dispersion aqueuse hautement concentrée contenant des  dithiocarbamates et du soufre élémentaire comme accélérateurs de vulcanisation, a été testé. L'échantillon a été soigneusement agité afin de garantir un échantillon homogène et d'améliorer l'échantillonnage. Toutes les mesures ont été effectuées dans un PSA 990 L / D en mode liquide en utilisant de l'eau comme milieu de dispersion. La distribution granulométrique a été calculée par le modèle Fraunhofer. Trois mesures consécutives ont été effectuées sous traitement par ultrasons constant, tandis que l'agitateur et la pompe étaient tous deux réglés à faible vitesse. 

3. Résultats et discussion

Mesures du potentiel zêta par diffusion électrophorétique de la lumière

La mesure ELS de l'échantillon A a renvoyé un potentiel zêta de -70,3 mV, ce qui indique une excellente stabilité. L'échantillon A contenant le matériau composé a renvoyé une valeur de potentiel zêta légèrement inférieure à celle de l'échantillon A seul. Cependant, l'échantillon peut être considéré comme très stable. La série de mesures présentait un très faible écart-type relatif de 0,90%. Les mesures du potentiel zêta de l'échantillon B ont renvoyé un potentiel zêta moyen de -69,5 mV, avec un très faible écart-type relatif de 0,77%, ce qui indique une excellente répétabilité des mesures. Les résultats suggèrent que l'échantillon B est également très stable. L'échantillon B contenant le matériau composé a renvoyé un potentiel zêta inférieur (-59,2 mV) par rapport à l'échantillon B. Encore une fois, les mesures ont été effectuées de manière hautement répétable. 

Taille des particules par diffusion dynamique de la lumière

L'échantillon A présente une distribution de taille monomodale avec un diamètre hydrodynamique de 472,6 nm (valeur moyenne de 3 mesures consécutives). L'indice de polydispersité de 16,2% indique un échantillon monomodal avec une distribution granulométrique étroite. Le matériau composé de l'échantillon A + présente un pic sensiblement plus large que l'échantillon A seul. L'échantillon présente une taille de particule de 730,1 nm (taille de pic par intensité). L'une des trois mesures consécutives a renvoyé un deuxième pic dans la plage de taille de 114,28 nm, et est probablement causé par l'ajout du composé. Ce pic n'est présent que dans l'une des trois mesures consécutives les plus susceptibles du fait que des particules très peu nombreuses ne sont pas toujours présentes dans le volume de diffusion respectif. L'échantillon B montre une distribution de taille bimodale pour les trois mesures consécutives. Le pic de faible taille moyenne de 82 nm, tandis que le pic dominant de grande taille moyenne de 415,8 nm. Le matériau composé de l'échantillon B + présente également une distribution de taille bimodale, avec deux pics affichant des tailles de particules de 291,8 nm et 1125,2 nm.

Mesures de diffraction laser sur la boue de vulcanisation

La suspension de vulcanisation a une composition plutôt polydispersée et trois populations distinctes ont été détectées par diffraction laser. La répétabilité des mesures était excellente, les écart-types relatifs pour D10, D50 et D90 montrant des valeurs très faibles. 

4. Conclusion

Ces mesures démontrent la capacité du Litesizer 500 à déterminer la taille des particules de différents échantillons de latex avec une répétabilité élevée en utilisant la diffusion dynamique de la lumière. Nous avons également démontré que la capacité du Litesizer 500 à fournir des résultats de mesure du potentiel zêta hautement reproductibles même sur des échantillons troubles, en utilisant la diffusion électrophorétique de la lumière. Le PSA 990 L / D a mesuré avec succès la distribution granulométrique des dispersions de vulcanisation en utilisant la diffraction laser avec une excellente répétabilité. C'est un outil utile pour détecter la formation d'agrégats lors du contrôle qualité en ligne, garantissant l'homogénéité et la douceur du produit final.