ISO 20427:2023
(Main)Pigments and extenders — Dispersion procedure for sedimentation-based particle sizing of suspended pigment or extender with liquid sedimentation methods
Pigments and extenders — Dispersion procedure for sedimentation-based particle sizing of suspended pigment or extender with liquid sedimentation methods
This document specifies sample preparation methods to determine the size distribution of separate particles of a single pigment or extender, which is dispersed in a liquid by application of a standardized dispersion procedure, using an ultrasonic device, shaker device or wet jet mill. The sample preparation methods described are optimized for measurements carried out with a particle sizing technique based on sedimentation. This technique relies on particle migration due to gravitation or centrifugal forces and requires a density contrast between the particles and the liquid phase.
Pigments et matières de charge — Mode opératoire de dispersion pour la détermination granulométrique basée sur la sédimentation des pigments ou matières de charge en suspension par des méthodes de sédimentation dans un liquide
Le présent document décrit des méthodes de préparation d’échantillon pour la détermination de la distribution granulométrique de particules séparées d’un pigment ou d’une matière de charge unique, qui est dispersé(e) dans un liquide en appliquant un mode opératoire de dispersion normalisé à l’aide d’un dispositif à ultrasons, d’un agitateur ou d’un broyeur à jets en voie humide. Les méthodes de préparation d’échantillon décrites sont optimisées pour les mesurages effectués avec une technique de détermination granulométrique basée sur la sédimentation. Cette technique repose sur la migration des particules due à la gravité ou aux forces centrifuges et nécessite un contraste de densité entre les particules et la phase liquide.
General Information
Standards Content (Sample)
INTERNATIONAL ISO
STANDARD 20427
First edition
2023-11
Pigments and extenders — Dispersion
procedure for sedimentation-based
particle sizing of suspended pigment
or extender with liquid sedimentation
methods
Reference number
© ISO 2023
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Published in Switzerland
ii
Contents Page
Foreword .iv
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
4 Principles of dispersion. 3
4.1 Principles of ultrasonic dispersion . 3
4.2 Principle of wet jet mill dispersion . 3
4.3 Principle of shaker-based dispersion . 3
5 Principles of sedimentation-based techniques for particle size analysis .4
5.1 Stokesian sedimentation analysis . 4
5.2 Disk-type centrifuges . 4
5.3 Cuvette-type centrifuges . . 4
5.4 Gravitation-based sedimentation methods . 4
5.5 Centrifugal field-flow fractionation method . 5
6 Apparatus . 5
7 Settings for dispersion .7
7.1 Procedure of ultrasonic dispersion using a probe-type sonicator . 7
7.2 Procedure of ultrasonic dispersion using a bath-type sonicator . 8
7.3 Procedure of shaker-based dispersion . 8
8 Dispersion procedure . 9
8.1 General . 9
8.2 Sampling for dispersion. 9
8.3 Reagents . 9
8.4 Recommendations for sample preparation. 10
9 Sampling .10
10 Measurement and expression of results .10
11 Test report .10
Annex A (normative) Protocol for the determination of energy input .12
Annex B (informative) Limits for ultrasonic dispersion procedure .15
Annex C (informative) Procedures for dispersion of TiO pigments .16
Annex D (informative) Procedure for dispersion of CaCO with wet jet milling .17
Annex E (informative) Procedure for the dispersion of Fe O with an ultrasonic probe .18
2 3
Annex F (informative) Procedure for dispersion of carbon black .19
Annex G (informative) General procedure for dispersion of pigment or extender .20
Bibliography .22
iii
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards
bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out
through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical
committee has been established has the right to be represented on that committee. International
organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work.
ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of
electrotechnical standardization.
The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are
described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular, the different approval criteria needed for the
different types of ISO document should be noted. This document was drafted in accordance with the
editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www.iso.org/directives).
ISO draws attention to the possibility that the implementation of this document may involve the use
of (a) patent(s). ISO takes no position concerning the evidence, validity or applicability of any claimed
patent rights in respect thereof. As of the date of publication of this document, ISO had not received
notice of (a) patent(s) which may be required to implement this document. However, implementers are
cautioned that this may not represent the latest information, which may be obtained from the patent
database available at www.iso.org/patents. ISO shall not be held responsible for identifying any or all
such patent rights.
Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not
constitute an endorsement.
For an explanation of the voluntary nature of standards, the meaning of ISO specific terms and
expressions related to conformity assessment, as well as information about ISO's adherence to
the World Trade Organization (WTO) principles in the Technical Barriers to Trade (TBT), see
www.iso.org/iso/foreword.html.
This document was prepared by Technical Committee ISO/TC 256, Pigments, dyestuffs and extenders.
Any feedback or questions on this document should be directed to the user’s national standards body. A
complete listing of these bodies can be found at www.iso.org/members.html.
iv
INTERNATIONAL STANDARD ISO 20427:2023(E)
Pigments and extenders — Dispersion procedure for
sedimentation-based particle sizing of suspended pigment
or extender with liquid sedimentation methods
1 Scope
This document specifies sample preparation methods to determine the size distribution of separate
particles of a single pigment or extender, which is dispersed in a liquid by application of a standardized
dispersion procedure, using an ultrasonic device, shaker device or wet jet mill.
The sample preparation methods described are optimized for measurements carried out with a particle
sizing technique based on sedimentation. This technique relies on particle migration due to gravitation
or centrifugal forces and requires a density contrast between the particles and the liquid phase.
2 Normative references
The following documents are referred to in the text in such a way that some or all of their content
constitutes requirements of this document. For dated references, only the edition cited applies. For
undated references, the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies.
ISO 3696, Water for analytical laboratory use — Specification and test methods
ISO 9276-1, Representation of results of particle size analysis — Part 1: Graphical representation
ISO 13317-1, Determination of particle size distribution by gravitational liquid sedimentation methods —
Part 1: General principles and guidelines
ISO 13317-2, Determination of particle size distribution by gravitational liquid sedimentation methods —
Part 2: Fixed pipette method
ISO 13317-3, Determination of particle size distribution by gravitational liquid sedimentation methods —
Part 3: X-ray gravitational technique
ISO 13317-4, Determination of particle size distribution by gravitational liquid sedimentation methods —
Part 4: Balance method
ISO 13318-1:2001, Determination of particle size distribution by centrifugal liquid sedimentation methods
— Part 1: General principles and guidelines
ISO 13318-2, Determination of particle size distribution by centrifugal liquid sedimentation methods —
Part 2: Photocentrifuge method
ISO 13318-3, Determination of particle size distribution by centrifugal liquid sedimentation methods —
Part 3: Centrifugal X-ray method
ISO 15528, Paints, varnishes and raw materials for paints and varnishes — Sampling
ASTM D5965, Standard Test Methods for Density of Coating Powders
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the following terms and definitions apply.
ISO and IEC maintain terminology databases for use in standardization at the following addresses:
— ISO Online browsing platform: available at https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: available at https:// www .electropedia .org/
3.1
nanoscale
length range from approximately 1 nm to 100 nm
Note 1 to entry: Properties that are not extrapolations from a larger size are predominantly exhibited in this size
range. For such properties, the size limits are considered approximate.
Note 2 to entry: The lower limit in this definition (approximately 1 nm) is introduced to avoid single and
small groups of atoms from being designated as nano-objects or elements of nanostructures, which can be
implied by the absence of a lower limit.
[SOURCE: ISO 80004-1:2023, 3.1.1 — modified, notes 1 and 2 to entry have been added.]
3.2
nanoparticle
nano-object with all external dimensions in the nanoscale (3.1) where the lengths of the longest and the
shortest axes of the nano-object do not differ significantly
Note 1 to entry: If the dimensions differ significantly (typically by more than three times), terms such as
nanofibre or nanoplate may are preferred to the term nanoparticle.
[SOURCE: ISO 80004-1:2023, 3.3.4, modified — "where the lengths of the longest and the shortest axes
of the nano-object do not differ significantly" has been added to the definition.]
3.3
agglomerate
collection of weakly or medium strongly bound particles where the resulting external surface area is
similar to the sum of the surface areas of the individual components
Note 1 to entry: The forces holding an agglomerate together are weak forces, for example van der Waals or simple
physical entanglement.
Note 2 to entry: Agglomerates are also termed secondary particles and the original source particles are termed
primary particles (3.5).
[SOURCE: ISO 80004-1:2023, 3.2.4]
3.4
aggregate
particle comprising strongly bonded or fused particles where the resulting external surface area is
significantly smaller than the sum of surface areas of the individual components
Note 1 to entry: The forces holding an aggregate together are strong forces, for example covalent or ionic bonds,
or those resulting from sintering or complex physical entanglement, or otherwise combined former primary
particles (3.5).
Note 2 to entry: Aggregates are also termed secondary particles and the original source particles are termed
primary particles (3.5).
[SOURCE: ISO 80004-1:2023, 3.2.5, modified — "or otherwise combined former primary particles" has
been added to the end of note 1 to entry.]
3.5
primary particle
single nano-object with at least one of three external dimensions at the nanoscale
Note 1 to entry: Sometimes, if the primary particle is present in crystalline form, it also contains twinning
boundaries.
3.6
spin fluid
inert liquid which is injected into the disc of a disc centrifuge photosedimentometer prior to the sample
to define a certain radius dependent gradient of viscosity for sedimentation
Note 1 to entry: Alkaline conditions minimize agglomeration of dispersed aggregates in most cases.
3.7
wet jet milling
dispersing method of particles in liquid phase using the complex shear force arising from turbulent
flow in the channel and cavitation from the abrupt pressure change
Note 1 to entry: This method is also called high pressure homogenizer method.
4 Principles of dispersion
4.1 Principles of ultrasonic dispersion
A piezo electrical ceramic material is driven by an applied alternating current electrical field to expand
and shrink periodically at an ultrasonic frequency in the range of 15 kHz up to 80 kHz and more. This
movement creates acoustic waves moving through the dispersion, which produce cavitation bubbles.
The collapse of these cavitation bubbles leads locally to strong thermal effects and shear-stress, which
are responsible for the destruction of agglomerates and even aggregates.
Energy density of sonication, temperature and particle volume concentration of the dispersion are
critical parameters of sonication and should be held at recipe values strictly.
In addition to probe-type sonicators ultra sonic (US) baths, inverted cup-horn sonicators and so-
called vial-tweeters also exist. US baths, cup-horn dispersers and vial-tweeters are known as indirect
dispersers, where sound energy is inserted via the wall of the container. Determining the energy input
[9]
of these dispersers is much more difficult than for probe sonication, but contamination is reduced .
4.2 Principle of wet jet mill dispersion
The wet jet milling method is a wet-type milling to disintegrate agglomerates of powder samples in
liquid. In this method, particles suspended in a liquid medium are passed through a narrow channel
at high pressure. Then, the suspension of the particles is enhanced by the complex shear force arising
from turbulent flow in the channel. In addition, the high pressure in the narrow channel induces the
cavitation bubbles from the abrupt pressure change. The burst of the cavitation bubbles then work
to disperse powder samples in the liquid phase, as in the ultra-sonication method. The advantage of
this dispersion technique is that it yields suspensions with low contamination, unlike the ultra-sonic
homogenizer method. The pressure range is the important factor to disperse the powder samples in the
[10][11]
liquid phase. Typically, the pressure range is from 80 MPa to 245 MPa .
4.3 Principle of shaker-based dispersion
The shaker device should be built like a plate with holders for the high-density polyethylene (HDPE)
bottles (see Annex B). A successful dispersion is achieved when the plate is shaking vertically from back
to front with a vibration amplitude of minimum 32 mm and a frequency of 660 Hz.
Important aspects are:
— inclusion of grinding beads, high loading;
— particle dispersion limitations: agglomerates/aggregates <100 µm in a liquid (viscous medium);
— grinding beads are agitated by rotary, tumbling and/or 2D-vibratory motion of the container/vessel;
— shear and elongational stress on agglomerates at squeezing of liquid between colliding grinding
[12][13]
beads and impulse exchange from collisions of agglomerates with grinding beads .
5 Principles of sedimentation-based techniques for particle size analysis
5.1 Stokesian sedimentation analysis
For all sedimentation-based procedures for particle sizing which are cited in this document, Stokesian
sedimentation analysis of dispersions is used. ISO 13318-1:2001, 4.1 describes in detail the general
procedure and calculations used to approach a particle size distribution of dispersed particles.
5.2 Disk-type centrifuges
The particles settle within an optically clear, rotating disc. When particles approach the outside edge
of the rotating disc, they block/scatter a portion of a light beam or X-ray beam that passes through
the disc. The change in light intensity shall be continuously recorded, and converted by the operating
software into a particle size distribution, in accordance with ISO 13318-1.
Instead of detecting the local particle concentration with optical turbidity, X-ray absorption shall be
used in certain instruments with the advantage of direct particle mass dependency, in accordance with
ISO 13318-3.
5.3 Cuvette-type centrifuges
The cuvette-type centrifuge is a special analytical centrifuge that instantaneously measures the
particle concentration at one or more radial positions within the rotating sedimentation cuvette.
For instance, space- and time-resolved extinction of the transmitted light across the entire length of the
sample allows the analysis of particle and droplet velocity distributions for creaming and sedimentation
phenomena without the need of any material data. This process additionally performs particle sizing
according to ISO 13318-2.
−1 −1
The centrifugal speed of these instruments is typically between 50 min and 60 000 min . Instruments
−1
with a centrifugal speed below 10 000 min are typically called cuvette centrifuges. Devices which
−1
can rotate above 10 000 min rotation are called ultracentrifuge. For centrifugal speeds greater than
−1
6 000 min , the detection of particle sizes is limited to 1 µm or below.
5.4 Gravitation-based sedimentation methods
The gravitation-based liquid sedimentation shall be executed using four different techniques: the fixed
pipette method in accordance with ISO 13317-2, the X-ray gravitation-based technique in accordance
with ISO 13317-3, the balance method in accordance with ISO 13317-4 and gravitation-based photo
sedimentation.
With the balance method as well as with the pipette method in accordance with ISO 13317-2, a
resolution below 1 µm is critical because of the limitations of the used detection mechanisms. The X-ray
sedimentation on the other hand depends on vibration isolation and detector quality. It can resolve
100 nm, similar to the photo sedimentation.
Therefore, only the liquid X-ray sedimentation in accordance with ISO 13317-1 and ISO 13317-3 is
included in this document.
The concentration of a dispersed sample is measured by the attenuation of an X-ray beam. A stable,
narrow, monochromatic collimated beam of X-rays passes through a suspension of the sample and
is detected at a known distance from the top of the sample cell. The sample cell is filled completely
with the sample suspension for the duration of the analysis. The settling height at which the particle
concentration is determined may be reduced during the analysis for the purpose of obtaining a more
rapid analysis compared to an analysis where all measurements are made at the same height value.
The cumulative mass percentage of the sample present at a given sedimentation height is continuously
determined. The X-ray signal attenuation at the known height is compared to the attenuation in the
suspending liquid and also to the attenuation in the homogeneously dispersed sample present in the
liquid. The attenuation of the emergent X-ray beam is proportional to the mass of the powder in the
beam.
5.5 Centrifugal field-flow fractionation method
Field-flow fractionation is a flow-based separation methodology. Centrifugal field-flow fractionation
(CF3) is a separation technique that uses a centrifugal field applied perpendicular to a circular channel
that spins around its axis to achieve size separation of particles between the limits of 10 nm and
50 µm. In this method, separation is governed by a combination of size and effective particle density,
indicating that applicable size range is dependent on and limited by the effective particle density. In
CF3, the mobile phase and analyte flow longitudinally through the channel. The channel is designed to
separate the sample components along its length, resulting in the elution of constituents at different
times. The channel and its large aspect ratio are designed to promote parabolic or near-parabolic
laminar flow between two infinite planes under normal operational conditions. Fractionation is
achieved during passage through the channel, based on the velocity flow profile, after which the mobile
phase containing separated constituents exits to online detectors and/or a fraction collector for off-line
analysis. Common detectors used for analysis of pigment and extender include ultraviolet-visible (UV-
Vis) absorbance, fluorescence, multi-angle light scattering (MALS), dynamic light scattering (DLS) and
element detectors such as the inductively coupled plasma mass spectrometer (ICP-MS). Combinational
analysis of the sizing and concentration evaluation detectors, as well as the size distribution analysis
have been performed using this method according to ISO/TS 21362.
6 Apparatus
Use standard laboratory apparatus, together with the following.
6.1 Apparatus for ultrasonic dispersion
6.1.1 Probe-type sonicator, with at least 100 W power and a frequency of 10 kHz to 100 kHz.
This type of sonicator has been found to be an effective means of dispersing particulate materials
in liquid dispersion from agglomerates into discrete primary particles or/and aggregates. The
temperature of the dispersion during sonication should be held as low as possible, around typical room
temperature, in order to maintain conditions for good stability of the dispersing agents.
6.1.2 Bath-type sonicator, with at least 50 W power and a frequency of 10 kHz to 100 kHz.
6.2 Apparatus for wet jet milling dispersion
The apparatus for wet jet milling is designed to disperse, crush, emulsify and surface-modify the
[14][15]
material pressurized to a maximum of 245 MPa . This apparatus consists of various components
containing a high-voltage section and ultra-high-pressure section each. In the wet jet milling apparatus,
the powder suspension pressurized by the pressure intensifier is branched in the apparatus chamber
and accelerated by the nozzle in the chamber so that the dispersions collide with each other to achieve
micronization. The maximum jet pressure depends on the nozzle diameter. The typical values of the
nozzle diameter are from 0,05 mm to 0,15 mm. Materials with a particle diameter smaller than the
nozzle diameter can be applied in order to prevent the nozzle from becoming clogged. It is recommended
that the maximum particle diameter is smaller than half of the nozzle diameter. The apparatus should
be equipped with a leakage sensor. When a liquid leakage from the high-pressure cylinder is discovered,
the instrument stops the milling. The typical handling amount is about 0,1 l/min and the applicable
solvents for this system are both organic and aqueous solvents. However, it is recommended to use
water as solvent in principle; using organic solvent such as acetone, alcohol, acid or alcohol can influence
sealing sections of apparatus for wet jet milling.
WARNING — Ignoring safety precautions and wrong handling or operation can cause serious or
minor injuries and damage to this apparatus or other properties.
WARNING — Do not operate the apparatus with the solvent boiling point exceeded. Blow-off of
the material or solvent caused by bumping or equipment damage caused by high-pressure steam
can injure the body.
See Annex D for an example of a detailed procedure of wet jet milling dispersion, as well as a detailed
description for energy estimation.
1)
6.3 Apparatus for shaker-based dispersion, such as Disperser DAS .
6.4 Analytical balance, accurate to the nearest 0,1 mg.
3 3
6.5 Beaker, based on the sonicator size, 50 cm to 300 cm tall-form.
6.6 Magnetic stirring device with stirrer bar
3 3 3 3
6.7 Syringes, 1 cm , 2 cm , 10 cm and 20 cm or better corresponding pipettes.
6.8 Cooled bath
6.9 Liquid sedimentation-based detection systems for particle size measurement
Table 1 and Table 2 show liquid sedimentation-based device examples for measuring instruments which
are available at the time of publication of this document.
Table 1 — Examples for currently available measuring instruments
Type Photo-centrifuge X-ray-centrifuge Analytical ul-
tra-centrifuge
Disc centrifuge Cuvette centri- Disc centrifuge Cuvette centri-
fuge fuge
Wavelength 405 nm or 470 nm Multiple wave- Data to be deliv- Optical
or 650 nm lengths ered from appara-
multiple wave-
tus manufacturer
405 nm to 870 nm lengths or xenon
light
−1 −1 −1
Acceleration range 600 min to 500 min to 600 min to (middle of cell)
−1 −1 −1
at the bottom 24 000 min 4 000 min 18 000 min −1
1 000 min to
5 times to 2 300 −1
Not preferred: 60 000 min
times earth grav-
Rotation speed
ity
(at cell bottom)
Type of detection Light extinction Light extinction X-ray extinction Light extinction
versus time versus time and versus time or refractive index
position versus time
Sample volume 100 µl to 400 µl 100 µl to 2 000 µl 100 µl to 400 µl 350 µl to 400 µl
Typical sample 0,01 % to 10 % 0,01 % to 20 % 0,1 % to 30 % 0,01 % to 1 %
concentration in (volume fraction) (volume fraction) (mass fraction)
volume
Spin fluid volume 10 ml to 20 ml - 10 ml to 40 ml -
Number of sam- 1 Up to 12 1 Up to 14
ples
1) Disperser DAS is an example of a suitable product available commercially. This information is given for the
convenience of users of this document and does not constitute an endorsement by ISO of this product.
TTabablele 1 1 ((ccoonnttiinnueuedd))
Type Photo-centrifuge X-ray-centrifuge Analytical ul-
tra-centrifuge
Disc centrifuge Cuvette centri- Disc centrifuge Cuvette centri-
fuge fuge
Sample contain- Disc rotor Disposable or Disc rotor Re-usable cells
ment reusable cells
Temperature No 4 °C to 60 °C No 0 °C to 40 °C
control (±0,5 °C) (±0,5 °C)
Range of particle 5 µm to 50 nm 500 µm to 50 nm 5 µm to 50 nm 800 nm to 2 nm
size
Table 2 — Examples for currently available measuring instruments
Type X Ray Cuvette Sedi-balance X-ray Cuvette sedi- CF3
sedimentation – mentation
movable cuvette
Test methods in
ISO 13317-3 ISO 13317-4 ISO 13317-3 ISO/TS 21362
accordance with
Wavelength / ex- O,138 nm / 0,071 nm / Optical
−15 −15
citation energy 1,442·10 J 2,801·10 J
multiple wavelengths
(9 keV) (17,48 keV)
are available
−1
Acceleration range - - - 0 min to
−1
at the bottom 12 000 min
Not preferred:
Rotation speed
Type of detection X-ray extinction computational X-ray extinction versus Light scattering
versus time detection using a time and space STEP
UV-Vis absorption
commercial balance (space- and time-re-
Refractive index
solved extinction
Fluorescence
profiles) Technology
ICP-MS
Sample volume 80 ml 1 l 0,2 ml to 1,6 ml 20 µl to 100 µl
Min. Sample con- 2,5 % mass density 2,5 % density de- 2 % mass density Dependent on the
centration in mass dependent pendent dependent samples
or volume
Numb
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 20427
Première édition
2023-11
Pigments et matières de charge —
Mode opératoire de dispersion pour la
détermination granulométrique basée
sur la sédimentation des pigments ou
matières de charge en suspension par
des méthodes de sédimentation dans
un liquide
Pigments and extenders — Dispersion procedure for sedimentation-
based particle sizing of suspended pigment or extender with liquid
sedimentation methods
Numéro de référence
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y compris la photocopie, ou la diffusion sur l’internet ou sur un intranet, sans autorisation écrite préalable. Une autorisation peut
être demandée à l’ISO à l’adresse ci-après ou au comité membre de l’ISO dans le pays du demandeur.
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Case postale 401 • Ch. de Blandonnet 8
CH-1214 Vernier, Genève
Tél.: +41 22 749 01 11
E-mail: copyright@iso.org
Web: www.iso.org
Publié en Suisse
ii
Sommaire Page
Avant-propos .iv
1 Domaine d’application . 1
2 Références normatives .1
3 Termes et définitions . 2
4 Principes de dispersion . 3
4.1 Principes de la dispersion aux ultrasons . 3
4.2 Principe de dispersion à l’aide d’un broyeur à jets en voie humide . 3
4.3 Principe de dispersion par agitateur . 4
5 Principes des techniques basées sur la sédimentation pour l’analyse
granulométrique .4
5.1 Analyse de sédimentation de Stokes . 4
5.2 Centrifugeuses à disque . 4
5.3 Centrifugeuses à cuve . 4
5.4 Méthodes de sédimentation par gravité . 5
5.5 Méthode de fractionnement par couplage flux-force à force centrifuge . 5
6 Appareillage . 5
7 Réglages pour la dispersion . 8
7.1 Mode opératoire de dispersion aux ultrasons utilisant un sonicateur de type sonde . 8
7.2 Mode opératoire de dispersion aux ultrasons utilisant un sonicateur de type bain . 9
7.3 Mode opératoire de dispersion par agitateur . 9
8 Mode opératoire de dispersion .10
8.1 Généralités . 10
8.2 Échantillonnage pour la dispersion . 10
8.3 Réactifs . 10
8.4 Recommandations pour la préparation des échantillons . 11
9 Échantillonnage .11
10 Mesurage et expression des résultats .11
11 Rapport d’essai .11
Annexe A (normative) Protocole pour la détermination de l’énergie entrante .13
Annexe B (informative) Limites pour le mode opératoire de dispersion aux ultrasons .17
Annexe C (informative) Modes opératoires pour la dispersion des pigments de TiO .18
Annexe D (informative) Mode opératoire pour la dispersion du CaCO par broyage à jets
en voie humide .19
Annexe E (informative) Mode opératoire pour la dispersion de Fe O avec une sonde à
2 3
ultrasons .20
Annexe F (informative) Mode opératoire pour la dispersion du noir de carbone .21
Annexe G (informative) Mode opératoire général pour la dispersion du pigment ou de la
matière de charge .22
Bibliographie .25
iii
Avant-propos
L’ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d’organismes
nationaux de normalisation (comités membres de l’ISO). L’élaboration des Normes internationales est
en général confiée aux comités techniques de l’ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude
a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,
gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l’ISO participent également aux travaux.
L’ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (IEC) en ce qui
concerne la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier, de prendre note des différents
critères d’approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document
a été rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2
(voir www.iso.org/directives).
L’ISO attire l’attention sur le fait que la mise en application du présent document peut entraîner
l’utilisation d’un ou de plusieurs brevets. L’ISO ne prend pas position quant à la preuve, à la validité et
à l’applicabilité de tout droit de propriété revendiqué à cet égard. À la date de publication du présent
document, l’ISO n’avait pas reçu notification qu’un ou plusieurs brevets pouvaient être nécessaires à sa
mise en application. Toutefois, il y a lieu d’avertir les responsables de la mise en application du présent
document que des informations plus récentes sont susceptibles de figurer dans la base de données de
brevets, disponible à l’adresse www.iso.org/brevets. L’ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne
pas avoir identifié de tels droits de brevet.
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données
pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un
engagement.
Pour une explication de la nature volontaire des normes, la signification des termes et expressions
spécifiques de l’ISO liés à l’évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l’adhésion
de l’ISO aux principes de l’Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles
techniques au commerce (OTC), voir www.iso.org/avant-propos.
Le présent document a été élaboré par le comité technique ISO/TC 256, Pigments, colorants et matières
de charge.
Il convient que l’utilisateur adresse tout retour d’information ou toute question concernant le présent
document à l’organisme national de normalisation de son pays. Une liste exhaustive desdits organismes
se trouve à l’adresse www.iso.org/fr/members.html.
iv
NORME INTERNATIONALE ISO 20427:2023(F)
Pigments et matières de charge — Mode opératoire de
dispersion pour la détermination granulométrique basée
sur la sédimentation des pigments ou matières de charge
en suspension par des méthodes de sédimentation dans un
liquide
1 Domaine d’application
Le présent document décrit des méthodes de préparation d’échantillon pour la détermination de la
distribution granulométrique de particules séparées d’un pigment ou d’une matière de charge unique,
qui est dispersé(e) dans un liquide en appliquant un mode opératoire de dispersion normalisé à l’aide
d’un dispositif à ultrasons, d’un agitateur ou d’un broyeur à jets en voie humide.
Les méthodes de préparation d’échantillon décrites sont optimisées pour les mesurages effectués avec
une technique de détermination granulométrique basée sur la sédimentation. Cette technique repose
sur la migration des particules due à la gravité ou aux forces centrifuges et nécessite un contraste de
densité entre les particules et la phase liquide.
2 Références normatives
Les documents suivants sont cités dans le texte de sorte qu’ils constituent, pour tout ou partie de leur
contenu, des exigences du présent document. Pour les références datées, seule l’édition citée s’applique.
Pour les références non datées, la dernière édition du document de référence s’applique (y compris les
éventuels amendements).
ISO 3696, Eau pour laboratoire à usage analytique — Spécification et méthodes d'essai
ISO 9276-1, Représentation de données obtenues par analyse granulométrique — Partie 1: Représentation
graphique
ISO 13317-1, Détermination de la distribution granulométrique par les méthodes de sédimentation par
gravité dans un liquide — Partie 1: Principes généraux et orientation
ISO 13317-2, Détermination de la distribution granulométrique par les méthodes de sédimentation par
gravité dans un liquide — Partie 2: Méthode de la pipette fixe
ISO 13317-3, Détermination de la distribution granulométrique par les méthodes de sédimentation par
gravité dans un liquide — Partie 3: Méthode aux rayons X par gravité
ISO 13317-4, Détermination de la distribution granulométrique par les méthodes de sédimentation par
gravité dans un liquide — Partie 4: Méthode de la balance
ISO 13318-1:2001, Détermination de la distribution granulométrique par les méthodes de sédimentation
centrifuge dans un liquide — Partie 1: Principes généraux et lignes directrices
ISO 13318-2, Détermination de la distribution granulométrique par les méthodes de sédimentation
centrifuge dans un liquide — Partie 2: Méthode photocentrifuge
ISO 13318-3, Détermination de la distribution granulométrique par les méthodes de sédimentation
centrifuge dans un liquide — Partie 3: Méthode centrifuge aux rayons X
ISO 15528, Peintures, vernis et matières premières pour peintures et vernis — Échantillonnage
ASTM D5965, Standard Test Methods for Density of Coating Powders (disponible en anglais seulement)
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions suivants s’appliquent.
L’ISO et l’IEC tiennent à jour des bases de données terminologiques destinées à être utilisées en
normalisation, consultables aux adresses suivantes:
— ISO Online browsing platform: disponible à l’adresse https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: disponible à l’adresse https:// www .electropedia .org/
3.1
échelle nanométrique
échelle de longueur s’étendant approximativement de 1 nm à 100 nm
Note 1 à l'article: Les propriétés qui ne constituent pas des extrapolations par rapport à des dimensions
plus grandes sont principalement manifestes dans cette échelle de taille. Pour ces propriétés, les limites
dimensionnelles sont approximatives.
Note 2 à l'article: Dans cette définition, on indique une limite inférieure (approximativement 1 nm) pour
éviter que des atomes isolés et de petits groupes d’atomes soient désignés comme nano-objets ou éléments de
nanostructures, ce qui peut être le cas en l’absence d’une telle limite inférieure.
[SOURCE: ISO 80004-1:2023, 3.1.1, modifié — les Notes 1 et 2 à l’article ont été ajoutées.]
3.2
nanoparticule
nano-objet dont toutes les dimensions externes sont à l’échelle nanométrique (3.1) et dont les longueurs
du plus grand et du plus petit axes ne diffèrent pas de façon significative
Note 1 à l'article: Si les dimensions diffèrent de façon significative (généralement d’un facteur supérieur à trois),
des termes tels que nanofibre ou nanoplaque sont préférés au terme nanoparticule.
[SOURCE: ISO 80004-1:2023, 3.3.4, modifié — «et dont les longueurs du plus grand et du plus petit axes
ne diffèrent pas de façon significative» a été ajouté à la définition.]
3.3
agglomérat
ensemble de particules faiblement ou moyennement liées, dont l’aire de la surface externe résultante
est similaire à la somme des aires de surface de chacun des composants individuels
Note 1 à l'article: Les forces assurant la cohésion d’un agglomérat sont faibles, par exemple des forces de Van der
Waals ou des forces résultant d’un simple enchevêtrement physique.
Note 2 à l'article: Les agglomérats sont également appelés particules secondaires et les particules sources
initiales sont appelées particules primaires (3.5).
[SOURCE: ISO 80004-1:2023, 3.2.4]
3.4
agrégat
particule composée de particules fortement liées ou fusionnées, dont l’aire de la surface externe
résultante est significativement plus petite que la somme des aires de surface de chacun des composants
individuels
Note 1 à l'article: Les forces assurant la cohésion d’un agrégat sont puissantes, par exemple des liaisons
covalentes ou ioniques, ou des forces résultant d’un frittage ou d’un enchevêtrement physique complexe, ou sinon
d’anciennes particules primaires (3.5) combinées.
Note 2 à l'article: Les agrégats sont également appelés particules secondaires et les particules sources initiales
sont appelées particules primaires (3.5).
[SOURCE: ISO 80004-1:2023, 3.2.5, modifié — «ou sinon d’anciennes particules primaires combinées» a
été ajouté à la Note 1 à l’article.]
3.5
particule primaire
nano-objet isolé avec au moins une des trois dimensions externes à l’échelle nanométrique
Note 1 à l'article: Parfois, si la particule primaire est présente sous forme cristalline, elle contient également des
limites jumelées.
3.6
liquide de centrifugation
liquide inerte qui est injecté dans le disque d’un photosédimentomètre centrifuge à disque avant
l’échantillon afin de définir un certain gradient de viscosité dépendant du rayon pour la sédimentation
Note 1 à l'article: Les conditions alcalines réduisent au minimum l’agglomération des agrégats dispersés dans la
plupart des cas.
3.7
broyage à jets en voie humide
méthode de dispersion des particules en phase liquide qui utilise la force de cisaillement complexe
résultant du flux turbulent dans le canal et la cavitation due au changement brusque de pression
Note 1 à l'article: Cette méthode est aussi appelée méthode de l’homogénéisateur à haute pression.
4 Principes de dispersion
4.1 Principes de la dispersion aux ultrasons
Un matériau céramique piézo-électrique est entraîné par un champ électrique à courant alternatif
appliqué pour se dilater et se rétracter périodiquement à une fréquence ultrasonore comprise entre
15 kHz et 80 kHz et plus. Ce mouvement crée des ondes acoustiques se déplaçant à travers la dispersion,
qui produisent des bulles de cavitation. L’effondrement de ces bulles de cavitation entraîne localement
de puissants effets thermiques et une contrainte de cisaillement, responsables de la destruction des
agglomérats et même des agrégats.
La densité d’énergie de la sonication, la température et la concentration volumique des particules de la
dispersion sont des paramètres critiques de la sonication et il convient de les maintenir strictement aux
valeurs préconisées.
Outre les sonicateurs de type sonde, il existe également des bains à ultrasons (US), des sondes cup-
horn et des sonicateurs «VialTweeter». Les bains à ultrasons, les disperseurs à sonde cup-horn et
les sonicateurs «VialTweeter» sont connus comme des disperseurs indirects, où l’énergie sonore est
introduite via la paroi du récipient. Déterminer l’énergie entrante de ces disperseurs est beaucoup plus
[9]
difficile que pour la sonication par sonde, mais la contamination est réduite .
4.2 Principe de dispersion à l’aide d’un broyeur à jets en voie humide
La méthode de broyage à jets en voie humide est un broyage de type humide destiné à désintégrer les
agglomérats d’échantillons de poudre dans un liquide. Dans cette méthode, les particules en suspension
dans un milieu liquide sont passées à travers un canal étroit à haute pression. Ensuite, la suspension
des particules est améliorée par la force de cisaillement complexe résultant du flux turbulent
dans le canal. De plus, la pression élevée dans le canal étroit induit les bulles de cavitation dues au
changement brusque de pression. L’éclatement des bulles de cavitation permet ensuite de disperser les
échantillons de poudre dans la phase liquide, comme dans la méthode d’ultra-sonication. L’avantage
de cette technique de dispersion est qu’elle produit des suspensions avec une faible contamination,
contrairement à la méthode de l’homogénéisateur ultrasonique. La plage de pression est le facteur
important pour disperser les échantillons de poudre dans la phase liquide. Généralement, la plage de
[10][11]
pression va de 80 MPa à 245 MPa .
4.3 Principe de dispersion par agitateur
Il convient que l’agitateur soit construit comme une plaque avec des supports pour les flacons en
polyéthylène haute densité (HDPE) (voir Annexe B). Une dispersion réussie est obtenue lorsque la
plaque induit une agitation verticale de l’arrière vers l’avant avec une amplitude de vibration d’au moins
32 mm et une fréquence de 660 Hz.
Les aspects importants sont les suivants:
— inclusion de billes de broyage à charge élevée;
— limites de dispersion des particules: agglomérats/agrégats < 100 µm dans un liquide
(milieu visqueux);
— les billes de broyage sont agitées par un mouvement de rotation, de culbute et/ou de vibration 2D du
conteneur/récipient;
— contrainte de cisaillement et d’élongation sur les agglomérats lors de l’écrasement du liquide entre
les billes de broyage en collision et de l’échange d’impulsions lors de collisions d’agglomérats avec
[12][13]
les billes de broyage .
5 Principes des techniques basées sur la sédimentation pour l’analyse
granulométrique
5.1 Analyse de sédimentation de Stokes
Pour tous les modes opératoires basés sur la sédimentation destinés à la détermination granulométrique
cités dans le présent document, l’analyse de sédimentation de Stokes des dispersions est utilisée.
L’ISO 13318-1:2001, 4.1 décrit en détail le mode opératoire général et les calculs utilisés pour approcher
une distribution granulométrique des particules dispersées.
5.2 Centrifugeuses à disque
Les particules se déposent à l’intérieur d’un disque rotatif optiquement transparent. Lorsque les
particules approchent du bord extérieur du disque rotatif, elles bloquent/dispersent une partie
d’un faisceau lumineux ou d’un faisceau de rayons X qui traverse le disque. La variation d’intensité
lumineuse doit être enregistrée en continu et convertie par le logiciel d’exploitation en une distribution
granulométrique, conformément à l’ISO 13318-1.
Au lieu de détecter la concentration locale de particules comme la turbidité optique, l’absorption des
rayons X doit être utilisée dans certains instruments, avec l’avantage d’une dépendance directe de la
masse des particules, conformément à l’ISO 13318-3.
5.3 Centrifugeuses à cuve
La centrifugeuse à cuve est une centrifugeuse analytique spéciale qui mesure instantanément la
concentration des particules en une ou plusieurs positions radiales dans la cuve de sédimentation en
rotation.
Par exemple, l’extinction en espace et en temps résolus de la lumière transmise sur toute la longueur
de l’échantillon permet d’analyser les distributions de vitesse des particules et des gouttelettes pour
les phénomènes d’écrémage et de sédimentation sans avoir besoin de données matérielles. Ce procédé
effectue également une détermination granulométrique conformément à l’ISO 13318-2.
−1 −1
La vitesse centrifuge de ces instruments est généralement comprise entre 50 min et 60 000 min .
−1
Les instruments dont la vitesse centrifuge est inférieure à 10 000 min sont généralement appelés
−1
centrifugeuses à cuve. Les dispositifs qui peuvent tourner à une vitesse supérieure à 10 000 min
−1
sont dits ultracentrifuges. Pour les vitesses centrifuges supérieures à 6 000 min , la détection de la
granulométrie est limitée à 1 µm ou moins.
5.4 Méthodes de sédimentation par gravité
La sédimentation par gravité dans un liquide doit être réalisée en utilisant quatre techniques
différentes: la méthode de la pipette fixe conformément à l’ISO 13317-2, la méthode aux rayons X par
gravité conformément à l’ISO 13317-3, la méthode de la balance conformément à l’ISO 13317-4 et la
photosédimentation par gravité.
Avec la méthode de la balance ainsi qu’avec la méthode de la pipette conformément à l’ISO 13317-2,
une résolution inférieure à 1 µm est critique en raison des limites des mécanismes de détection utilisés.
La méthode aux rayons X quant à elle dépend de l’isolation contre les vibrations et de la qualité du
détecteur. Une résolution de 100 nm est possible, comme avec la photosédimentation.
Par conséquent, seule la méthode aux rayons X dans un liquide conformément à l’ISO 13317-1 et à
l’ISO 13317-3 est incluse dans le présent document.
La concentration d’un échantillon dispersé est mesurée par l’atténuation du faisceau de rayons X.
Un faisceau collimaté monochromatique, étroit et stable, de rayons X traverse une suspension de
l’échantillon et est détecté à une distance connue du sommet de la cellule d’échantillon. La cellule
d’échantillon est complètement remplie de la suspension d’échantillon pendant la durée de l’analyse.
La hauteur de sédimentation à laquelle la concentration des particules est déterminée peut être réduite
pendant l’analyse afin d’obtenir une analyse plus rapide par rapport à une analyse où tous les mesurages
sont effectués à la même valeur de hauteur. Le pourcentage massique cumulé de l’échantillon présent
à une hauteur de sédimentation donnée est déterminé en continu. L’atténuation du signal de rayons X
à la hauteur connue est comparée à l’atténuation dans le liquide en suspension ainsi qu’à l’atténuation
dans l’échantillon dispersé de manière homogène présent dans le liquide. L’atténuation du faisceau de
rayons X émergent est proportionnelle à la masse de la poudre dans le faisceau.
5.5 Méthode de fractionnement par couplage flux-force à force centrifuge
Le fractionnement par couplage flux-force est une méthodologie de séparation basée sur le flux.
Le fractionnement par couplage flux-force à force centrifuge (CF3) est une technique de séparation
qui utilise un champ centrifuge appliqué perpendiculairement à un canal circulaire qui tourne autour
de son axe pour obtenir une séparation granulométrique des particules entre les limites de 10 nm et
50 µm. Dans cette méthode, la séparation est régie par une combinaison de granulométrie et de masse
volumique effective des particules, indiquant que la plage granulométrique applicable dépend de la
masse volumique effective des particules et est limitée par celle-ci. Dans le CF3, la phase mobile et
l’analyte s’écoulent longitudinalement à travers le canal. Le canal est conçu pour séparer les composants
de l’échantillon sur sa longueur, ce qui entraîne l’élution des constituants à différents moments. Le
canal et son grand rapport d’aspect sont conçus pour favoriser un écoulement laminaire parabolique
ou quasi-parabolique entre deux plans infinis dans des conditions de fonctionnement normales.
Le fractionnement est réalisé pendant le passage à travers le canal, sur la base du profil de vitesse
d’écoulement, après quoi la phase mobile contenant les constituants séparés sort vers des détecteurs en
ligne et/ou un collecteur de fractions pour analyse hors ligne. Les détecteurs couramment utilisés pour
l’analyse du pigment et de la matière de charge comprennent l’absorbance ultraviolette-visible (UV-Vis),
la fluorescence, la diffusion multi-angle de la lumière (MALS), la diffusion dynamique de la lumière
(DLS) et les détecteurs d’éléments tels que le spectromètre de masse à plasma à couplage inductif
(ICP-MS). L’analyse combinatoire des détecteurs de granulométrie et d’évaluation de la concentration,
ainsi que l’analyse de la distribution granulométrique, ont été réalisées en utilisant cette méthode
conformément à l’ISO/TS 21362.
6 Appareillage
Utiliser l’appareillage de laboratoire courant, ainsi que ce qui suit.
6.1 Appareillage pour la dispersion aux ultrasons
6.1.1 Sonicateur de type sonde, d’une puissance minimale de 100 W et d’une fréquence de 10 kHz à
100 kHz.
Ce type de sonicateur s’est avéré être un moyen efficace de disperser des matières particulaires dans
une dispersion liquide à partir d’agglomérats en particules primaires discrètes et/ou en agrégats.
Il convient de maintenir la température de la dispersion au cours de la sonication aussi basse que
possible, autour de la température ambiante typique, afin de maintenir les conditions d’une bonne
stabilité des agents dispersants.
6.1.2 Sonicateur de type bain, d’une puissance d’au moins 50 W et d’une fréquence de 10 kHz à
100 kHz.
6.2 Appareillage pour la dispersion par broyage à jets en voie humide
L’appareil de broyage à jets en voie humide est conçu pour disperser, écraser, émulsifier et modifier
[14][15]
la surface du matériau pressurisé à un maximum de 245 MPa . Cet appareil est constitué de
différents composants contenant chacun une section à haute tension et une section à ultra-haute
pression. Dans l’appareil de broyage à jets en voie humide, la suspension de poudre pressurisée par
l’intensificateur de pression est dirigée dans la chambre de l’appareil et accélérée par la buse dans
la chambre de sorte que les dispersions entrent en collision les unes avec les autres pour obtenir
une micronisation. La pression maximale du jet dépend du diamètre de la buse. Les valeurs types du
diamètre de la buse sont comprises entre 0,05 mm et 0,15 mm. Des matériaux dont le diamètre des
particules est inférieur au diamètre de la buse peuvent être appliqués afin d’éviter l’obstruction de la
buse. Il est recommandé que le diamètre maximal des particules soit inférieur à la moitié du diamètre
de la buse. Il convient que l’appareil soit équipé d’un capteur de fuite. Lorsqu’une fuite de liquide du
cylindre à haute pression est découverte, l’instrument arrête le broyage. La quantité manipulée type
est d’environ 0,1 l/min et les solvants applicables pour ce système sont à la fois des solvants organiques
et des solvants aqueux. Cependant, il est recommandé d’utiliser de l’eau comme solvant en principe;
l’utilisation d’un solvant organique tel que l’acétone, un acide ou un alcool peut influencer les sections
d’étanchéité de l’appareillage de broyage à jets en voie humide.
AVERTISSEMENT — Le fait de ne pas tenir compte des précautions de sécurité et une mauvaise
manipulation ou utilisation peut provoquer des blessures graves ou mineures et endommager
cet appareil ou d’autres propriétés.
AVERTISSEMENT — Ne pas faire fonctionner l’appareillage lorsque le point d’ébullition du
solvant est dépassé. L’éclatement du matériau ou l’échappement du solvant provoqué par un
choc ou un dommage à l’équipement causé par de la vapeur à haute pression peut conduire à des
blessures corporelles.
Voir l’Annexe D pour un exemple de mode opératoire détaillé de dispersion par broyage à jets en voie
humide, ainsi qu’une description détaillée de l’estimation énergétique.
1)
6.3 Appareillage pour la dispersion par agitateur, tel que le Disperser DAS .
6.4 Balance analytique, permettant des pesées à 0,1 mg.
3 3
6.5 Bécher, selon la taille du sonicateur, de 50 cm à 300 cm .
6.6 Agitateur magnétique avec barreau agitateur
1) Disperser DAS est un exemple de produit approprié disponible sur le marché. Cette information est donnée à
l’intention des utilisateurs du présent document et ne signifie nullement que l’ISO approuve l’emploi du produit
ainsi désigné.
3 3 3 3
6.7 Seringues, pipettes correspondantes de 1 cm , 2 cm , 10 cm et 20 cm ou mieux.
6.8 Bain refroidi
6.9 Systèmes de détection basée sur la sédimentation dans un liquide pour le mesurage de la
granulométrie
Le Tableau 1 et le Tableau 2 présentent des exemples de dispositifs de mesurage basés sur la
sédimentation dans un liquide qui sont disponibles au moment de la publication du présent document.
Tableau 1 — Exemples d’instruments de mesurage actuellement disponibles
Type Photocentrifugeuse Centrifugeuse Ultra-centrifugeuse
à rayons X analytique
Centrifugeuse Centrifugeuse Centrifugeuse Centrifugeuse
à disque à cuve à disque à cuve
Longueur d’onde 405 nm ou Longueurs d’onde Données à fournir Optique
470 nm ou multiples par le fabricant de
Longueurs d’onde
650 nm l’appareillage
405 nm à 870 nm multiples ou lumière
au xénon
−1 −1 −1
Plage d’accéléra- 600 min à 500 min à 600 min à (milieu de la cellule)
−1 −1 −1
tion au fond 24 000 min 4 000 min 18 000 min −1
1 000 min à
5 fois à 2 300 fois −1
Non préféré: 60 000 min
la gravité terrestre
Vitesse de rota-
(au fond de la
tion
cellule)
Type de détection Extinction de la Extinction de la Extinction des Extinction de la
lumière en fonc- lumière en fonc- rayons X en fonc- lumière ou indice de
tion du temps tion du temps et de tion du temps réfraction en fonction
la position du temps
Volume de l’échan- 100 µl à 400 µl 100 µl à 2 000 µl 100 µl à 400 µl 350 µl à 400 µl
tillon
Concentration 0,01 % à 10 % 0,01 % à 20 % 0,1 % à 30 % 0,01 % à 1 % (fraction
d’échantillon type (fraction volu- (fraction volu- massique)
en volume mique) mique)
Volume de liquide 10 ml à 20 ml - 10 ml à 40 ml -
de centrifugation
Nombre d’échan- 1 Jusqu’à 12 1 Jusqu’à 14
tillons
Confinement de Rotor à disque Cellules jetables ou Rotor à disque Cellules réutilisables
l’échantillon réutilisables
Contrôle de la Non 4 °C à 60 °C Non 0 °C à 40 °C (±0,5 °C)
température (±0,5 °C)
Plage granulomé- 5 µm à 50 nm 500 µm à 50 nm 5 µm à 50 nm 800 nm à 2 nm
trique
Tableau 2 — Exemples d’instruments de mesurage actuellement disponibles
Type Sédimentation en Balance de Sédimentation en CF3
cuve à rayons X — sédimentation cuve à rayons X
Cuve mobile
Méthodes d’essai ISO 13317-3 ISO 13317-4 ISO 13317-3 ISO/TS 21362
conformes à
Longueur d’onde/ 0,138 nm / 0,071 nm / Optique
−15 −15
énergie d’excitation 1,442·10 J 2,801·10 J
Des longueurs d’onde
(9 keV) (17,48 keV)
multiples sont
disponibles
−1
Plage d’accélération - - - 0 min à
−1
au fond 12 000 min
Non préféré:
Vitesse de rotation
Type de détection Extinction des Détection infor- Extinction des rayons X Diffusion de la
rayons X en fonction matique à l’aide en fonction du temps et lumière
du temps d’une balance de l’espace, technologie
Absorption UV-Vis
commerciale STEP (profils d’extinc-
Indice de réfraction
tion en espace et en
Fluorescence
temps résolus)
ICP-MS
Volume de l’échan- 80 ml 1 l 0,2 ml à 1,6 ml 20 µl à 100 µl
tillon
Concentration mini- 2,5 % dépendant de 2,5 % dépendant 2 % dépendant de la Dépendant des échan-
male de l’échantil- la densité massique de la masse volu- densité massique tillons
lon en masse ou en mique
volume
Nombre d’échantil- 1 1 1 1
lons
Confinement de bécher en verre bécher cylin- cuve, différents maté- Canal d’écoulement
l’échantillon drique en verre riaux
Contrôle de la tem- Oui Non Non Non
pérature
Plage granulomé- 1 mm à 100 nm 1 mm à 5 µm 1 mm à 200 nm 40 µm à 10 nm
trique
7 Réglages pour la dispersion
7.1 Mode opératoire de dispersion aux ultrasons utilisant un sonicateur de type sonde
Les sources d’ultrasons autres que celles de type sonde ne sont pas recommandées et peuvent conduire
à des résultats erronés en raison des difficultés d’étalonnage de l’énergie entrante.
Le mode opératoire type est le suivant:
— remplir le bécher avec une masse d’eau correspondante, en fonction de la taille du bécher;
— placer le bécher dans la mousse isolante;
— placer la sonde à ultrasons et le thermomètre à temps de réponse court dans l’eau;
— il convient d’immerger la sonde à la même profondeur qu’ultérieurement pour la dispersion;
— attendre l’équilibrage thermique;
— il convient que la température de départ se situe dans une plage définie et étroite (par exemple
entre 20 °C et 25 °C);
— commencer l’ultrasonication.
Il est important de maintenir la température constante. Le refroidissement est recommandé.
Il est important d’utiliser la densité d’énergie correcte pour désintégrer l’échantillon particulaire.
Un réglage de la densité d’énergie trop faible peut entraîner la persistance d’agglomérats. Si la densité
d’énergie est trop élevée, le sonicateur piézocéramique peut être détruit et contaminer la dispersion
avec des nanoparticules. De plus, une destruction du matériau particulaire peut se produire lors de
l’utilisation d’énergies trop élevées. Dans certains cas, le matériau traité peut perdre ses propriétés
pigmentaires ou de charge lorsque la densité d’énergie du traitement est trop élevée.
L’estimation énergétique doit être calculée conformément à l’Annexe A.
7.2 Mode opératoire de dispersion aux ultrasons utilisant un sonicateur de type bain
Il est important d’utiliser la densité d’énergie correcte pour désintégrer l’échantillon particulaire.
Un réglage d’énergie trop faible peut entraîner la persistance d’agglomérats. De plus, une destruction
du matériau particulaire peut se produire lors de l’utilisation d’énergies trop élevées. Dans certains cas,
le matériau traité peut perdre ses propriétés pigmentaires ou de charge lorsque l’énergie de traitement
est trop élevée.
Effectuer une estimation de la densité d’énergie similaire à celle du mode opératoire utilisant un
sonicateur de type sonde spécifié dans l’Annexe A. Considérer le réchauffement de l’ensemble du
bain avec le bécher. Pour les sonicateurs faibles, augmenter le temps de sonication jusqu’à ce que les
variations de température soient mesurables.
Le mode opératoire est similaire au mode opératoire de la dispersion aux ultrasons utilisant un
sonicateur de type sonde (7.1), sauf que le bécher est placé dans un bain à ultrasons:
— peser de 0,1 % à 1,0 % (fraction massique), selon le type de pigment ou de matière de charge, dans un
3 3
bécher haut de 50 cm à 300 cm , selon la taille du bain à ultrasons;
— remplir le bécher avec une masse d’eau correspondante, en fonction de la taille du bécher;
— placer le bécher dans un bain refroidi pour éviter tout réchauffement au-dessus de 40 °C. La limite
supérieure de la température doit être définie en fonction des types de pigments ou de matières de
charge;
— attendre l’équilibrage thermique;
— il convient que la température de départ se situe dans une plage définie et étroite (par exemple
entre 20 °C et 25 °C);
— commencer l’ultrasonication.
Il est important de toujours placer la dispersion dans la même position géométrique avec le même
volume d’eau du bain afin de garantir qu’elle reste reproductible et de maintenir un mélange homogène
à l’intérieur du bécher.
7.3 Mode opératoire de dispersion par agitateur
Le dispositif généralement utilisé (6.3) agite des petits flacons remplis de dispersion dans une direction
verticale. En général, entre 1 et 30 flacons peuvent être placés dans un support. Ils sont fixés entre une
plate-forme et un oblitérateur venant du dessus. Pendant la dispersion, l’ensemble de la plate-forme est
agité dans un mouvement oscillatoire en direction verticale.
Pour améliorer les propriétés de dispersion, il convient d’insérer des billes de broyage dans les flacons.
En général, l’efficacité de la dispersion est corrélée à la vitesse d’agitation, au pourcentage volumique de
billes de broyage et à la granulométrie, ainsi qu’au matériau des billes de broyage.
Le mode opératoire est le suivant:
— Prendre un flacon en HDPE à bouchon à vis de 15 ml et y introduire la dispersion suivante: 12 475 ml
de dispersion ayant une concentration volumique de particules de 5 % à 20 % dans une solution
aqueuse avec la quantité choisie de dispersant, par exemple 5 g de TiO dans 7 475 g de H O et
2 2
0,025 g d’hexamétaphosphate (HMP) ou autre polyphosphate;
— ajouter 28 g de particules de broyage ZrO (0,5 mm);
— placer le flacon dans un agitateur (6.3)
— sélectionner l’énergie entrante à 60 W/(ml × min);
— agiter le flacon pendant 5 min.
Si l’énergie ne peut pas être ajustée, mesurer l’énergie entrante par minute et adapter le temps
d’agitation à 300 W/ml. L’Annexe A fournit une description détaillée de l’estimation de l’énergie.
8 Mode opératoire de dispersion
8.1 Généralités
Le processus de dispersion dépend de la durée d’exécution, de la puissance et des dimensions des
dispositifs de dispersion. Afin de l’optimiser, il est recommandé de trouver le niveau permettant
d’obtenir une distribution granulométrique stable. Pour une dispersion appropriée du pigment et de la
matière de charge, le choix de la phase liquide et du dispersant est également critique.
8.2 Échantillonnage pour la dispersion
Sélectionner au hasard des échantillons de pigment ou de matière de charge dans des lots de plus
grande taille, sous forme granulée ou non granulée, conformément à l’ISO 15528. Étiqueter et conserver
les échantillons pour stockage ou analyse ultérieure.
8.3 Réactifs
Sauf indication contraire, utiliser uniquement des réactifs de qualité réactif reconnue.
8.3.1 Eau, distillée ou désionisée, qualité 3 conformément à l’ISO 3696.
L’eau doit être exempte de particules. Pour ce faire, une filtration doit être utilisée (par exemple, filtre
à membrane, de calibre inférieur ou égal à 50 nm). Une filtration similaire doit également être utilisée
pour tout solvant supplémentaire ajouté.
Les liquides utilisés ne doivent pas dissoudre les particules à mesurer.
Si aucune donnée n’est disponible, l’eau doit être qualifiée par un mesurage à l’aveugle des particules
conformément au présent document.
8.3.2 Solvant organique, exempt de nanoparticules lorsqu’il est mesuré conformément au présent
document.
Si aucune donnée n’est disponible, le solvant doit être qualifié par un mesurage à l’aveugle des particules
conformément au présent document. Le cas échéant, un mesurage à l’aveugle doit être effectué
conformément au présent document en utilisant conjointement l’eau, le solvant et le tensioactif aux
concentrations prévues.
Les liquides utilisés ne doivent pas dissoudre les particules à mesurer.
8.3.3 Tensioactif, exempt de nanoparticules lorsqu’il est mesuré conformément au présent document,
en rapport avec les propriétés de surface des particules de pigment ou de matière de charge.
Si aucune donnée n’est disponible, le tensioactif doit être qualifié par un mesurage à l’aveugle des
particules conformément au présent document. Le cas échéant, il est important d’effectuer un
mesurage à l’aveugle conformément au présent document en utilisant conjointement l’eau, le solvant et
le tensioactif aux concentrations prévues.
8.4 Recommandations pour la préparation des échantillons
Des exemples de modes opératoires pour différents matériaux sont donnés dans les Annexes C, D, E et F.
Pour les autres matériaux, un exemple de mode opératoire est spécifié dans l’Annexe G.
9 Échantillonnage
Sélectionner au hasard des échantillons de pigment ou de matière de charge dans des lots de plus
grande taille, sous forme granulée ou non granulée, conformément à l’ISO 15528. Étiqueter et conserver
les échantillons pour stockage ou analyse ultérieure.
10 Mesurage et expression des résultats
Effectuer la détermination granulométrique en utilisant des méthodes par sédimentation conformément
à l’ISO 13317-1, l’ISO 13317-2, l’ISO 13317-3, l’ISO 13317-4, l’ISO 13318-1, l’ISO 13318-2 ou l’ISO 13318-3.
L’une de ces méthodes doit être réalisée au moins trois fois pour chaque dispersion. Exprimer le volume
sur la base de la moyenne des distributions granulométriques pondérées en volume sous forme de
fonction cumulée et de fonction de masse volumique transformée conformément à l’ISO 9276-1. De
plus, les résultats du mesurage de la distribution granulométrique doivent être présentés sous forme
de nombres dans un tableau contenant les résultats du mesurage individuel et les valeurs moyennes
résultantes pour d50V, d10V, d90V, ainsi que la fidélité des valeurs moyennes.
Pour le mesurage, utiliser la masse volumique du matériau mesurée par pycn
...
2024-08-09
ISO 20427:2023(F)
Première édition
2023-11
ISO/TC 256
Pigments et matières de charge — Mode opératoire de dispersion
pour la détermination granulométrique basée sur la
sédimentation des pigments ou matières de charge en suspension
par des méthodes de sédimentation dans un liquide
Pigments and extenders — Dispersion procedure for sedimentation-based particle sizing of suspended
pigment or extender with liquid sedimentation methods
ICS: 87.060.10
Type du document : Norme internationale
Sous-type du document :
Stade du document : (60) Publication
Langue du document : F
DOCUMENT PROTÉGÉ PAR COPYRIGHT
Type du document : Norme internationale
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partie de cette publication ne peut être reproduite ni utilisée sous quelque forme que ce soit et par aucun procédé,
électronique ou mécanique, y compris la photocopie, ou la diffusion sur l’internet ou sur un intranet, sans
autorisation écrite préalable. Une autorisation peut être demandée à l’ISO à l’adresse ci-après ou au comité membre
de l’ISO dans le pays du demandeur.
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CH-1214 Vernier, GenèveGeneva
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E-mail: copyright@iso.org
Web: www.iso.org
Website: www.iso.org
Publié en Suisse
iii
Sommaire Page
Avant-propos .vi i
1 Domaine d’application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 2
4 Principes de dispersion . 4
4.1 Principes de la dispersion aux ultrasons . 4
4.2 Principe de dispersion à l’aide d’un broyeur à jets en voie humide . 4
4.3 Principe de dispersion par agitateur . 4
5 Principes des techniques basées sur la sédimentation pour l’analyse granulométrique . 5
5.1 Analyse de sédimentation de Stokes . 5
5.2 Centrifugeuses à disque . 5
5.3 Centrifugeuses à cuve . 5
5.4 Méthodes de sédimentation par gravité . 5
5.5 Méthode de fractionnement par couplage flux-force à force centrifuge . 6
6 Appareillage . 6
7 Réglages pour la dispersion . 9
7.1 Mode opératoire de dispersion aux ultrasons utilisant un sonicateur de type sonde . 9
7.2 Mode opératoire de dispersion aux ultrasons utilisant un sonicateur de type bain. 10
7.3 Mode opératoire de dispersion par agitateur . 11
8 Mode opératoire de dispersion . 11
8.1 Généralités . 11
8.2 Échantillonnage pour la dispersion . 11
8.3 Réactifs . 11
8.4 Recommandations pour la préparation des échantillons . 12
9 Échantillonnage . 12
10 Mesurage et expression des résultats . 12
11 Rapport d’essai. 13
Annex A (normative) Protocole pour la détermination de l’énergie entrante. 14
A.1 Protocole pour la détermination de l’énergie entrante lors de l’ultrasonication. 14
A.1.1 Mode opératoire . 14
A.1.2 Analyse des données . 14
A.1.3 Hypothèses . 15
A.2 Protocole pour la détermination de l’énergie entrante pour la dispersion par agitateur . 15
A.2.1 Généralités . 15
A.2.2 Mode opératoire . 15
iv
iv © ISO 2023 – Tous droits réservés
A.2.3 Analyse des données . 15
A.3 Protocole pour la détermination de l’énergie entrante lors du broyage à jets en voie humide . 16
A.3.1 Mode opératoire . 16
A.3.2 Analyse des données . 16
A.3.3 Hypothèses . 17
Annex B (informative) Limites pour le mode opératoire de dispersion aux ultrasons . 18
Annex C (informative) Modes opératoires pour la dispersion des pigments de TiO . 19
C.1 Mode opératoire pour la dispersion des pigments de TiO avec une sonde à ultrasons . 19
C.2 Mode opératoire pour la dispersion des pigments de TiO avec un agitateur . 19
Annex D (informative) Mode opératoire pour la dispersion du CaCO par broyage à jets en voie humide
............................................................................................................................................................................................................... 21
Annex E (informative) Mode opératoire pour la dispersion de Fe O avec une sonde à ultrasons . 22
2 3
Annex F (informative) Mode opératoire pour la dispersion du noir de carbone . 23
Annex G (informative) Mode opératoire général pour la dispersion du pigment ou de la matière de charge
............................................................................................................................................................................................................... 24
G.1 Généralités . 24
G.2 Ultrasonicateur de type sonde. 24
G.3 Ultrasonicateur de type bain . 25
G.4 Dispositif de dispersion par agitateur . 25
G.5 Broyage à jets en voie humide . 25
Bibliographie . 27
Avant-propos iv
1 Domaine d’application 1
2 Références normatives 1
3 Termes et définitions 2
4 Principes de dispersion 3
4.1 Principes de la dispersion aux ultrasons 3
4.2 Principe de dispersion à l’aide d’un broyeur à jets en voie humide 4
4.3 Principe de dispersion par agitateur 4
5 Principes des techniques basées sur la sédimentation pour l’analyse granulométrique 4
5.1 Analyse de sédimentation de Stokes 4
5.2 Centrifugeuses à disque 4
5.3 Centrifugeuses à cuve 5
5.4 Méthodes de sédimentation par gravité 5
5.5 Méthode de fractionnement par couplage flux-force à force centrifuge 6
6 Appareillage 6
v
7 Réglages pour la dispersion 9
7.1 Mode opératoire de dispersion aux ultrasons utilisant un sonicateur de type sonde 9
7.2 Mode opératoire de dispersion aux ultrasons utilisant un sonicateur de type bain 10
7.3 Mode opératoire de dispersion par agitateur 10
8 Mode opératoire de dispersion 11
8.1 Généralités 11
8.2 Échantillonnage pour la dispersion 11
8.3 Réactifs 11
8.4 Recommandations pour la préparation des échantillons 12
9 Échantillonnage 12
10 Mesurage et expression des résultats 12
11 Rapport d’essai 12
Annexe A (normative) Protocole pour la détermination de l’énergie entrante 14
Annexe B (informative) Limites pour le mode opératoire de dispersion aux ultrasons 18
Annexe C (informative) Modes opératoires pour la dispersion des pigments de TiO 19
Annexe D (informative) Mode opératoire pour la dispersion du CaCO par broyage à jets en voie humide
Annexe E (informative) Mode opératoire pour la dispersion de Fe O avec une sonde à ultrasons 22
2 3
Annexe F (informative) Mode opératoire pour la dispersion du noir de carbone 23
Annexe G (informative) Mode opératoire général pour la dispersion du pigment ou de la matière
de charge 24
Bibliographie 27
vi
vi © ISO 2023 – Tous droits réservés
Avant-propos
L’ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d’organismes
nationaux de normalisation (comités membres de l’ISO). L’élaboration des Normes internationales est en
général confiée aux comités techniques de l’ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude a le droit
de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales
et non gouvernementales, en liaison avec l’ISO participent également aux travaux. L’ISO collabore
étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (IEC) en ce qui concerne la
normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier, de prendre note des différents
critères d’approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été
rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2
(voir www.iso.org/directives).www.iso.org/directives).
L’ISO attire l’attention sur le fait que la mise en application du présent document peut entraîner
l’utilisation d’un ou de plusieurs brevets. L’ISO ne prend pas position quant à la preuve, à la validité et à
l’applicabilité de tout droit de propriété revendiqué à cet égard. À la date de publication du présent
document, l’ISO n’avait pas reçu notification qu’un ou plusieurs brevets pouvaient être nécessaires à sa
mise en application. Toutefois, il y a lieu d’avertir les responsables de la mise en application du présent
document que des informations plus récentes sont susceptibles de figurer dans la base de données de
brevets, disponible à l’adresse www.iso.org/brevets.www.iso.org/brevets. L’ISO ne saurait être tenue
pour responsable de ne pas avoir identifié de tels droits de brevet.
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données
pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un
engagement.
Pour une explication de la nature volontaire des normes, la signification des termes et expressions
spécifiques de l’ISO liés à l’évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l’adhésion
de l’ISO aux principes de l’Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles
techniques au commerce (OTC), voir www.iso.org/avant-propos.www.iso.org/avant-propos.
Le présent document a été élaboré par le comité technique ISO/TC 256, Pigments, colorants et matières
de charge.
Il convient que l’utilisateur adresse tout retour d’information ou toute question concernant le présent
document à l’organisme national de normalisation de son pays. Une liste exhaustive desdits organismes
se trouve à l’adresse www.iso.org/fr/members.html.www.iso.org/fr/members.html.
vii
NORME INTERNATIONALE ISO 20427:2023(F)
Pigments et matières de charge — Mode opératoire de dispersion
pour la détermination granulométrique basée sur la sédimentation
des pigments ou matières de charge en suspension par des
méthodes de sédimentation dans un liquide
1 Domaine d’application
Le présent document décrit des méthodes de préparation d’échantillon pour la détermination de la
distribution granulométrique de particules séparées d’un pigment ou d’une matière de charge unique,
qui est dispersé(e) dans un liquide en appliquant un mode opératoire de dispersion normalisé à l’aide
d’un dispositif à ultrasons, d’un agitateur ou d’un broyeur à jets en voie humide.
Les méthodes de préparation d’échantillon décrites sont optimisées pour les mesurages effectués avec
une technique de détermination granulométrique basée sur la sédimentation. Cette technique repose sur
la migration des particules due à la gravité ou aux forces centrifuges et nécessite un contraste de densité
entre les particules et la phase liquide.
2 Références normatives
Les documents suivants sont cités dans le texte de sorte qu’ils constituent, pour tout ou partie de leur
contenu, des exigences du présent document. Pour les références datées, seule l’édition citée s’applique.
Pour les références non datées, la dernière édition du document de référence s’applique (y compris les
éventuels amendements).
ISO 3696, Eau pour laboratoire à usage analytique — Spécification et méthodes d'essai
ISO 9276-1, Représentation de données obtenues par analyse granulométrique — Partie 1:
Représentation graphique
ISO 13317-ISO 3696, Eau pour laboratoire à usage analytique — Spécification et méthodes d'essai
ISO 9276-1, Représentation de données obtenues par analyse granulométrique — Partie 1: Représentation
graphique
ISO 13317-1, Détermination de la distribution granulométrique par les méthodes de sédimentation par
gravité dans un liquide — Partie 1: Principes généraux et orientation
ISO 13317-ISO 13317-2, Détermination de la distribution granulométrique par les méthodes de
sédimentation par gravité dans un liquide — Partie 2: Méthode de la pipette fixe
ISO 13317-ISO 13317-3, Détermination de la distribution granulométrique par les méthodes de
sédimentation par gravité dans un liquide — Partie 3: Méthode aux rayons X par gravité
ISO 13317-ISO 13317-4, Détermination de la distribution granulométrique par les méthodes de
sédimentation par gravité dans un liquide — Partie 4: Méthode de la balance
ISO 13318-ISO 13318-1:2001, Détermination de la distribution granulométrique par les méthodes de
sédimentation centrifuge dans un liquide — Partie 1: Principes généraux et lignes directrices
ISO 13318-ISO 13318-2, Détermination de la distribution granulométrique par les méthodes de
sédimentation centrifuge dans un liquide — Partie 2: Méthode photocentrifuge
ISO 13318-ISO 13318-3, Détermination de la distribution granulométrique par les méthodes de
sédimentation centrifuge dans un liquide — Partie 3: Méthode centrifuge aux rayons X
ISO 15528, Peintures, vernis et matières premières pour peintures et vernis — Échantillonnage
ASTM D5965, Standard Test Methods for Density of Coating Powders (disponible en anglais
seulement)
ISO 15528, Peintures, vernis et matières premières pour peintures et vernis — Échantillonnage
ASTM D5965, Standard Test Methods for Density of Coating Powders (disponible en anglais seulement)
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions suivants s’appliquent.
L’ISO et l’IEC tiennent à jour des bases de données terminologiques destinées à être utilisées en
normalisation, consultables aux adresses suivantes:
— — ISO Online browsing platform: disponible à l’adresse
https://www.iso.org/obphttps://www.iso.org/obp
— — IEC Electropedia: disponible à l’adresse
https://www.electropedia.org/https://www.electropedia.org/
3.1
échelle nanométrique
échelle de longueur s’étendant approximativement de 1 nm à 100 nm
Note 1 à l’articlel'article: Les propriétés qui ne constituent pas des extrapolations par rapport à des dimensions
plus grandes sont principalement manifestes dans cette échelle de taille. Pour ces propriétés, les limites
dimensionnelles sont approximatives.
Note 2 à l’articlel'article: Dans cette définition, on indique une limite inférieure (approximativement 1 nm) pour
éviter que des atomes isolés et de petits groupes d’atomes soient désignés comme nano-objets ou éléments de
nanostructures, ce qui peut être le cas en l’absence d’une telle limite inférieure.
[SOURCE: ISO 80004--1:2023, 3.1.1, modifié — les Notes 1 et 2 à l’article ont été ajoutées.]
3.2
nanoparticule
nano-objet dont toutes les dimensions externes sont à l’échelle nanométrique (3.1)(3.1) et dont les
longueurs du plus grand et du plus petit axes ne diffèrent pas de façon significative
Note 1 à l’article l'article: Si les dimensions diffèrent de façon significative (généralement d’un facteur supérieur à
trois), des termes tels que nanofibre ou nanoplaque sont préférés au terme nanoparticule.
[SOURCE: ISO 80004--1:2023, 3.3.4, modifié — «et dont les longueurs du plus grand et du plus petit axes
ne diffèrent pas de façon significative» a été ajouté à la définition.]
2 © ISO 2023 – Tous droits réservés
3.3
agglomérat
ensemble de particules faiblement ou moyennement liées, dont l’aire de la surface externe résultante est
similaire à la somme des aires de surface de chacun des composants individuels
Note 1 à l’articlel'article: Les forces assurant la cohésion d’un agglomérat sont faibles, par exemple des forces de
Van der Waals ou des forces résultant d’un simple enchevêtrement physique.
Note 2 à l’articlel'article: Les agglomérats sont également appelés particules secondaires et les particules sources
initiales sont appelées particules primaires (3.5).(3.5).
[SOURCE: ISO 80004--1:2023, 3.2.4]
3.4
agrégat
particule composée de particules fortement liées ou fusionnées, dont l’aire de la surface externe
résultante est significativement plus petite que la somme des aires de surface de chacun des composants
individuels
Note 1 à l’articlel'article: Les forces assurant la cohésion d’un agrégat sont puissantes, par exemple des liaisons
covalentes ou ioniques, ou des forces résultant d’un frittage ou d’un enchevêtrement physique complexe, ou sinon
d’anciennes particules primaires (3.5)(3.5) combinées.
Note 2 à l’articlel'article: Les agrégats sont également appelés particules secondaires et les particules sources
initiales sont appelées particules primaires (3.5).(3.5).
[SOURCE: ISO 80004--1:2023, 3.2.5, modifié — «ou sinon d’anciennes particules primaires combinées» a
été ajouté à la Note 1 à l’article.]
3.5
particule primaire
nano-objet isolé avec au moins une des trois dimensions externes à l’échelle nanométrique
Note 1 à l’article l'article: Parfois, si la particule primaire est présente sous forme cristalline, elle contient également
des limites jumelées.
3.6
liquide de centrifugation
liquide inerte qui est injecté dans le disque d’un photosédimentomètre centrifuge à disque avant
l’échantillon afin de définir un certain gradient de viscosité dépendant du rayon pour la sédimentation
Note 1 à l’article l'article: Les conditions alcalines réduisent au minimum l’agglomération des agrégats dispersés
dans la plupart des cas.
3.7
broyage à jets en voie humide
méthode de dispersion des particules en phase liquide qui utilise la force de cisaillement complexe
résultant du flux turbulent dans le canal et la cavitation due au changement brusque de pression
Note 1 à l’article l'article: Cette méthode est aussi appelée méthode de l’homogénéisateur à haute pression.
4 Principes de dispersion
4.1 Principes de la dispersion aux ultrasons
Un matériau céramique piézo-électrique est entraîné par un champ électrique à courant alternatif
appliqué pour se dilater et se rétracter périodiquement à une fréquence ultrasonore comprise entre
15 kHz et 80 kHz et plus. Ce mouvement crée des ondes acoustiques se déplaçant à travers la dispersion,
qui produisent des bulles de cavitation. L’effondrement de ces bulles de cavitation entraîne localement
de puissants effets thermiques et une contrainte de cisaillement, responsables de la destruction des
agglomérats et même des agrégats.
La densité d’énergie de la sonication, la température et la concentration volumique des particules de la
dispersion sont des paramètres critiques de la sonication et il convient de les maintenir strictement aux
valeurs préconisées.
Outre les sonicateurs de type sonde, il existe également des bains à ultrasons (US), des sondes cup-horn
et des sonicateurs «VialTweeter». Les bains à ultrasons, les disperseurs à sonde cup-horn et les
sonicateurs «VialTweeter» sont connus comme des disperseurs indirects, où l’énergie sonore est
introduite via la paroi du récipient. Déterminer l’énergie entrante de ces disperseurs est beaucoup plus
[9] [9]
difficile que pour la sonication par sonde, mais la contamination est réduite . .
4.2 Principe de dispersion à l’aide d’un broyeur à jets en voie humide
La méthode de broyage à jets en voie humide est un broyage de type humide destiné à désintégrer les
agglomérats d’échantillons de poudre dans un liquide. Dans cette méthode, les particules en suspension
dans un milieu liquide sont passées à travers un canal étroit à haute pression. Ensuite, la suspension des
particules est améliorée par la force de cisaillement complexe résultant du flux turbulent dans le canal.
De plus, la pression élevée dans le canal étroit induit les bulles de cavitation dues au changement brusque
de pression. L’éclatement des bulles de cavitation permet ensuite de disperser les échantillons de poudre
dans la phase liquide, comme dans la méthode d’ultra-sonication. L’avantage de cette technique de
dispersion est qu’elle produit des suspensions avec une faible contamination, contrairement à la méthode
de l’homogénéisateur ultrasonique. La plage de pression est le facteur important pour disperser les
échantillons de poudre dans la phase liquide. Généralement, la plage de pression va de 80 MPa à
[10][11] [10][11]
245 MPa . .
4.3 Principe de dispersion par agitateur
Il convient que l’agitateur soit construit comme une plaque avec des supports pour les flacons en
polyéthylène haute densité (HDPE) (voir Annexe B).Annexe B). Une dispersion réussie est obtenue
lorsque la plaque induit une agitation verticale de l’arrière vers l’avant avec une amplitude de vibration
d’au moins 32 mm et une fréquence de 660 Hz.
Les aspects importants sont les suivants:
— — inclusion de billes de broyage à charge élevée;
— — limites de dispersion des particules: agglomérats/agrégats < 100 µm dans un liquide
(milieu visqueux);
— — les billes de broyage sont agitées par un mouvement de rotation, de culbute et/ou de vibration 2D
du conteneur/récipient;
— — contrainte de cisaillement et d’élongation sur les agglomérats lors de l’écrasement du liquide
entre les billes de broyage en collision et de l’échange d’impulsions lors de collisions d’agglomérats
[12][13] [12][13]
avec les billes de broyage . .
4 © ISO 2023 – Tous droits réservés
5 Principes des techniques basées sur la sédimentation pour l’analyse
granulométrique
5.1 Analyse de sédimentation de Stokes
Pour tous les modes opératoires basés sur la sédimentation destinés à la détermination granulométrique
cités dans le présent document, l’analyse de sédimentation de Stokes des dispersions est utilisée.
L’ISO 13318--1:2001, 4.1 décrit en détail le mode opératoire général et les calculs utilisés pour approcher
une distribution granulométrique des particules dispersées.
5.2 Centrifugeuses à disque
Les particules se déposent à l’intérieur d’un disque rotatif optiquement transparent. Lorsque les
particules approchent du bord extérieur du disque rotatif, elles bloquent/dispersent une partie d’un
faisceau lumineux ou d’un faisceau de rayons X qui traverse le disque. La variation d’intensité lumineuse
doit être enregistrée en continu et convertie par le logiciel d’exploitation en une distribution
granulométrique, conformément à l’ISO 13318--1.
Au lieu de détecter la concentration locale de particules comme la turbidité optique, l’absorption des
rayons X doit être utilisée dans certains instruments, avec l’avantage d’une dépendance directe de la
masse des particules, conformément à l’ISO 13318--3.
5.3 Centrifugeuses à cuve
La centrifugeuse à cuve est une centrifugeuse analytique spéciale qui mesure instantanément la
concentration des particules en une ou plusieurs positions radiales dans la cuve de sédimentation en
rotation.
Par exemple, l’extinction en espace et en temps résolus de la lumière transmise sur toute la longueur de
l’échantillon permet d’analyser les distributions de vitesse des particules et des gouttelettes pour les
phénomènes d’écrémage et de sédimentation sans avoir besoin de données matérielles. Ce procédé
effectue également une détermination granulométrique conformément à l’ISO 13318--2.
−1 −1
La vitesse centrifuge de ces instruments est généralement comprise entre 50 min et 60 000 min .
−1
Les instruments dont la vitesse centrifuge est inférieure à 10 000 min sont généralement appelés
−1
centrifugeuses à cuve. Les dispositifs qui peuvent tourner à une vitesse supérieure à 10 000 min sont
−1
dits ultracentrifuges. Pour les vitesses centrifuges supérieures à 6 000 min , la détection de la
granulométrie est limitée à 1 µm ou moins.
5.4 Méthodes de sédimentation par gravité
La sédimentation par gravité dans un liquide doit être réalisée en utilisant quatre techniques différentes:
la méthode de la pipette fixe conformément à l’ISO 13317--2, la méthode aux rayons X par gravité
conformément à l’ISO 13317--3, la méthode de la balance conformément à l’ISO 13317--4 et la
photosédimentation par gravité.
Avec la méthode de la balance ainsi qu’avec la méthode de la pipette conformément à l’ISO 13317--2,
une résolution inférieure à 1 µm est critique en raison des limites des mécanismes de détection utilisés.
La méthode aux rayons X quant à elle dépend de l’isolation contre les vibrations et de la qualité du
détecteur. Une résolution de 100 nm est possible, comme avec la photosédimentation.
Par conséquent, seule la méthode aux rayons X dans un liquide conformément à l’ISO 13317--1 et à
l’ISO 13317--3 est incluse dans le présent document.
La concentration d’un échantillon dispersé est mesurée par l’atténuation du faisceau de rayons X.
Un faisceau collimaté monochromatique, étroit et stable, de rayons X traverse une suspension de
l’échantillon et est détecté à une distance connue du sommet de la cellule d’échantillon. La cellule
d’échantillon est complètement remplie de la suspension d’échantillon pendant la durée de l’analyse.
La hauteur de sédimentation à laquelle la concentration des particules est déterminée peut être réduite
pendant l’analyse afin d’obtenir une analyse plus rapide par rapport à une analyse où tous les mesurages
sont effectués à la même valeur de hauteur. Le pourcentage massique cumulé de l’échantillon présent à
une hauteur de sédimentation donnée est déterminé en continu. L’atténuation du signal de rayons X à la
hauteur connue est comparée à l’atténuation dans le liquide en suspension ainsi qu’à l’atténuation dans
l’échantillon dispersé de manière homogène présent dans le liquide. L’atténuation du faisceau de
rayons X émergent est proportionnelle à la masse de la poudre dans le faisceau.
5.5 Méthode de fractionnement par couplage flux-force à force centrifuge
Le fractionnement par couplage flux-force est une méthodologie de séparation basée sur le flux.
Le fractionnement par couplage flux-force à force centrifuge (CF3) est une technique de séparation qui
utilise un champ centrifuge appliqué perpendiculairement à un canal circulaire qui tourne autour de son
axe pour obtenir une séparation granulométrique des particules entre les limites de 10 nm et 50 µm. Dans
cette méthode, la séparation est régie par une combinaison de granulométrie et de masse volumique
effective des particules, indiquant que la plage granulométrique applicable dépend de la masse
volumique effective des particules et est limitée par celle-ci. Dans le CF3, la phase mobile et l’analyte
s’écoulent longitudinalement à travers le canal. Le canal est conçu pour séparer les composants de
l’échantillon sur sa longueur, ce qui entraîne l’élution des constituants à différents moments. Le canal et
son grand rapport d’aspect sont conçus pour favoriser un écoulement laminaire parabolique ou quasi-
parabolique entre deux plans infinis dans des conditions de fonctionnement normales. Le fractionnement
est réalisé pendant le passage à travers le canal, sur la base du profil de vitesse d’écoulement, après quoi
la phase mobile contenant les constituants séparés sort vers des détecteurs en ligne et/ou un collecteur
de fractions pour analyse hors ligne. Les détecteurs couramment utilisés pour l’analyse du pigment et de
la matière de charge comprennent l’absorbance ultraviolette-visible (UV-Vis), la fluorescence, la diffusion
multi-angle de la lumière (MALS), la diffusion dynamique de la lumière (DLS) et les détecteurs d’éléments
tels que le spectromètre de masse à plasma à couplage inductif (ICP-MS). L’analyse combinatoire des
détecteurs de granulométrie et d’évaluation de la concentration, ainsi que l’analyse de la distribution
granulométrique, ont été réalisées en utilisant cette méthode conformément à l’ISO/TS 21362.
6 Appareillage
Utiliser l’appareillage de laboratoire courant, ainsi que ce qui suit.
6.1 Appareillage pour la dispersion aux ultrasons
6.1.1 Sonicateur de type sonde, d’une puissance minimale de 100 W et d’une fréquence de 10 kHz à
100 kHz.
Ce type de sonicateur s’est avéré être un moyen efficace de disperser des matières particulaires dans une
dispersion liquide à partir d’agglomérats en particules primaires discrètes et/ou en agrégats. Il convient
de maintenir la température de la dispersion au cours de la sonication aussi basse que possible, autour
de la température ambiante typique, afin de maintenir les conditions d’une bonne stabilité des agents
dispersants.
6.1.2 Sonicateur de type bain, d’une puissance d’au moins 50 W et d’une fréquence de 10 kHz à
100 kHz.
6.2 Appareillage pour la dispersion par broyage à jets en voie humide
6 © ISO 2023 – Tous droits réservés
L’appareil de broyage à jets en voie humide est conçu pour disperser, écraser, émulsifier et modifier la
[14][15] [14][15]
surface du matériau pressurisé à un maximum de 245 MPa . . Cet appareil est constitué de
différents composants contenant chacun une section à haute tension et une section à ultra-haute
pression. Dans l’appareil de broyage à jets en voie humide, la suspension de poudre pressurisée par
l’intensificateur de pression est dirigée dans la chambre de l’appareil et accélérée par la buse dans la
chambre de sorte que les dispersions entrent en collision les unes avec les autres pour obtenir une
micronisation. La pression maximale du jet dépend du diamètre de la buse. Les valeurs types du diamètre
de la buse sont comprises entre 0,05 mm et 0,15 mm. Des matériaux dont le diamètre des particules est
inférieur au diamètre de la buse peuvent être appliqués afin d’éviter l’obstruction de la buse. Il est
recommandé que le diamètre maximal des particules soit inférieur à la moitié du diamètre de la buse. Il
convient que l’appareil soit équipé d’un capteur de fuite. Lorsqu’une fuite de liquide du cylindre à haute
pression est découverte, l’instrument arrête le broyage. La quantité manipulée type est d’environ
0,1 l/min et les solvants applicables pour ce système sont à la fois des solvants organiques et des solvants
aqueux. Cependant, il est recommandé d’utiliser de l’eau comme solvant en principe; l’utilisation d’un
solvant organique tel que l’acétone, un acide ou un alcool peut influencer les sections d’étanchéité de
l’appareillage de broyage à jets en voie humide.
AVERTISSEMENT — Le fait de ne pas tenir compte des précautions de sécurité et une mauvaise
manipulation ou utilisation peut provoquer des blessures graves ou mineures et endommager cet
appareil ou d’autres propriétés.
AVERTISSEMENT — Ne pas faire fonctionner l’appareillage lorsque le point d’ébullition du
solvant est dépassé. L’éclatement du matériau ou l’échappement du solvant provoqué par un choc
ou un dommage à l’équipement causé par de la vapeur à haute pression peut conduire à des
blessures corporelles.
Voir l’Annexe DVoir l’Annexe D pour un exemple de mode opératoire détaillé de dispersion par broyage
à jets en voie humide, ainsi qu’une description détaillée de l’estimation énergétique.
6.3 Appareillage pour la dispersion par agitateur, tel que le Disperser DAS .
6.4 Balance analytique, permettant des pesées à 0,1 mg.
3 3
6.5 Bécher, selon la taille du sonicateur, de 50 cm à 300 cm .
6.6 Agitateur magnétique avec barreau agitateur
3 3 3 3
6.7 Seringues, pipettes correspondantes de 1 cm , 2 cm , 10 cm et 20 cm ou mieux.
6.8 Bain refroidi
6.9 Systèmes de détection basée sur la sédimentation dans un liquide pour le mesurage de la
granulométrie
Le Tableau 1 et le Tableau 2Le Tableau 1 et le Tableau 2 présentent des exemples de dispositifs de
mesurage basés sur la sédimentation dans un liquide qui sont disponibles au moment de la publication
du présent document.
Tableau 1 — Exemples d’instruments de mesurage actuellement disponibles
Disperser DAS est un exemple de produit approprié disponible sur le marché. Cette information est donnée à
l’intention des utilisateurs du présent document et ne signifie nullement que l’ISO approuve l’emploi du produit
ainsi désigné.
Type Photocentrifugeuse Centrifugeuse Ultra-
à rayons X centrifugeuse
analytique
Centrifugeuse Centrifugeuse Centrifugeuse Centrifugeuse
à disque à cuve à disque à cuve
Longueur d’onde 405 nm ou Longueurs d’onde Données à Optique
470 nm ou multiples fournir par le
Longueurs d’onde
650 nm fabricant de
405 nm à 870 nm multiples ou lumière
l’appareillage
au xénon
−1 −1 −1
Plage 600 min à 500 min à 600 min à (milieu de la cellule)
−1 −1 −1
d’accélération au 24 000 min 4 000 min 18 000 min −1
1 000 min à
fond 5 fois à 2 300 fois
−1
60 000 min
la gravité
Non préféré:
terrestre
Vitesse de
(au fond de la
rotation
cellule)
Type de Extinction de la Extinction de la Extinction des Extinction de la
détection lumière en lumière en rayons X en lumière ou indice de
fonction du fonction du temps fonction du réfraction en
temps et de la position temps fonction du temps
Volume de 100 µl à 400 µl 100 µl à 2 000 µl 100 µl à 400 µl 350 µl à 400 µl
l’échantillon
Concentration 0,01 % à 10 % 0,01 % à 20 % 0,1 % à 30 % 0,01 % à 1 %
d’échantillon (fraction (fraction (fraction massique)
type en volume volumique) volumique)
Volume de 10 ml à 20 ml - 10 ml à 40 ml -
liquide de
centrifugation
Nombre 1 Jusqu’à 12 1 Jusqu’à 14
d’échantillons
Confinement de Rotor à disque Cellules jetables Rotor à disque Cellules réutilisables
l’échantillon ou réutilisables
Contrôle de la Non 4 °C à 60 °C Non 0 °C à 40 °C (±0,5 °C)
température (±0,5 °C)
Plage 5 µm à 50 nm 500 µm à 50 nm 5 µm à 50 nm 800 nm à 2 nm
granulométrique
Tableau 2 — Exemples d’instruments de mesurage actuellement disponibles
Type Sédimentation en Balance de Sédimentation en CF3
cuve à rayons X — sédimentation cuve à rayons X
Cuve mobile
Méthodes d’essai ISO 13317--3 ISO 13317--4 ISO 13317--3 ISO/TS 21362
conformes à
Longueur 0,138 nm / 0,071 nm / Optique
−15 −15
d’onde/énergie 1,442·10 J 2,801·10 J
Des longueurs
d’excitation (9 keV) (17,48 keV)
d’onde multiples
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Type Sédimentation en Balance de Sédimentation en CF3
cuve à rayons X — sédimentation cuve à rayons X
Cuve mobile
Méthodes d’essai ISO 13317--3 ISO 13317--4 ISO 13317--3 ISO/TS 21362
conformes à
sont
disponibles
−1
Plage - - - 0 min à
−1
d’accélération au 12 000 min
fond
Non préféré:
Vitesse de rotation
Type de détection Extinction des Détection Extinction des Diffusion de la
rayons X en informatique à rayons X en fonction lumière
fonction du temps l’aide d’une du temps et de
Absorption UV-Vis
balance l’espace, technologie
Indice de réfraction
commerciale STEP (profils
Fluorescence
d’extinction en espace
et en temps résolus) ICP-MS
Volume de 80 ml 1 l 0,2 ml à 1,6 ml 20 µl à 100 µl
l’échantillon
Concentration 2,5 % dépendant de 2,5 % dépendant 2 % dépendant de la Dépendant des
minimale de la densité massique de la masse densité massique échantillons
l’échantillon en volumique
masse ou en
volume
Nombre 1 1 1 1
d’échantillons
Confinement de bécher en verre bécher cuve, différents Canal d’écoulement
l’échantillon cylindrique en matériaux
verre
Contrôle de la Oui Non Non Non
température
Plage 1 mm à 100 nm 1 mm à 5 µm 1 mm à 200 nm 40 µm à 10 nm
granulométrique
7 Réglages pour la dispersion
7.1 Mode opératoire de dispersion aux ultrasons utilisant un sonicateur de type sonde
Les sources d’ultrasons autres que celles de type sonde ne sont pas recommandées et peuvent conduire
à des résultats erronés en raison des difficultés d’étalonnage de l’énergie entrante.
Le mode opératoire type est le suivant:
— — remplir le bécher avec une masse d’eau correspondante, en fonction de la taille du bécher;
— — placer le bécher dans la mousse isolante;
— — placer la sonde à ultrasons et le thermomètre à temps de réponse court dans l’eau;
— — il convient d’immerger la sonde à la même profondeur qu’ultérieurement pour la dispersion;
— — attendre l’équilibrage thermique;
— — il convient que la température de départ se situe dans une plage définie et étroite (par exemple
entre 20 °C et 25 °C);
— — commencer l’ultrasonication.
Il est important de maintenir la température constante. Le refroidissement est recommandé.
Il est important d’utiliser la densité d’énergie correcte pour désintégrer l’échantillon particulaire.
Un réglage de la densité d’énergie trop faible peut entraîner la persistance d’agglomérats. Si la densité
d’énergie est trop élevée, le sonicateur piézocéramique peut être détruit et contaminer la dispersion avec
des nanoparticules. De plus, une destruction du matériau particulaire peut se produire lors de l’utilisation
d’énergies trop élevées. Dans certains cas, le matériau traité peut perdre ses propriétés pigmentaires ou
de charge lorsque la densité d’énergie du traitement est trop élevée.
L’estimation énergétique doit être calculée conformément à l’Annexe A.l’Annexe A.
7.2 Mode opératoire de dispersion aux ultrasons utilisant un sonicateur de type bain
Il est important d’utiliser la densité d’énergie correcte pour désintégrer l’échantillon particulaire.
Un réglage d’énergie trop faible peut entraîner la persistance d’agglomérats. De plus, une destruction du
matériau particulaire peut se produire lors de l’utilisation d’énergies trop élevées. Dans certains cas,
le matériau traité peut perdre ses propriétés pigmentaires ou de charge lorsque l’énergie de traitement
est trop élevée.
Effectuer une estimation de la densité d’énergie similaire à celle du mode opératoire utilisant un
sonicateur de type sonde spécifié dans l’Annexe A.l’Annexe A. Considérer le réchauffement de l’e
...
Questions, Comments and Discussion
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