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Nous rencontrons quotidiennement de l'encre et de la peinture. Ces matériaux sont utilisés pour l'écriture et l'impression, la protection contre les éléments, des raisons esthétiques et bien d'autres choses encore. Nos archives historiques existent en grande partie grâce à ces substances. Comment les peintures et les encres sont-elles fabriquées et quelles sont les mesures de contrôle de la qualité (CQ) prises ? Cet article de blog couvre un bref historique de cette industrie, le processus de fabrication, et comment la spectroscopie proche infrarouge (NIRS) peut être utilisée comme une solution multiparamétrique de contrôle de la qualité.

Quelle est la différence entre la peinture et l'encre ?

La peinture est une substance appliquée sous forme de liquide ou de pâte qui sèche pour former un revêtement solide. Ce revêtement protège et/ou ajoute de la couleur à l'objet ou à la surface sur laquelle il a été appliqué.

L'encre est un liquide à base de pigments ou de colorants utilisé pour l'écriture, l'impression, etc.

Origines et bref aperçu historique de l'encre et de la peinture

Cliquez sur les flèches ci-dessous pour en savoir plus sur les origines et l'histoire de ces deux matériaux.

De nombreuses cultures ont formulé leurs propres encres de manière indépendante, généralement à partir de restes de suie (pigment) provenant de foyers, combinés à de l'eau (support). En fait, cette composition simple est à la base de l'encre de Chine, qui est encore utilisée aujourd'hui.

Les Chinois et les Égyptiens ont établi des recettes d'encres durables il y a au moins 4500 ans. Ces encres étaient basées sur des sources végétales, animales et minérales. En Europe, avant le Moyen Âge, l'encre était également préparée à partir de poudre de charbon noir et d'eau, avec de la gomme arabique ou d'autres liants.

Par la suite, les Romains ont mis au point une meilleure formule, connue sous le nom de encre de galle de fer (ou de chêne). L'encre ferro-gallique était relativement facile à fabriquer à partir de sulfate de fer(II) (FeSO4), d'acide tannique et de gomme arabique. Cette encre permanente a été utilisée jusqu'à ce que les encres chimiques commencent à gagner en popularité vers le milieu des années 1900.

Dans les années 1440, l'invention de la presse à imprimer a nécessité un nouveau type d'encre. Les variétés à base d'eau n'étaient tout simplement pas adaptées à une impression de bonne qualité. Des encres à base d'huile ont donc été développées pour mieux adhérer à la surface d'impression.

La peinture est une forme de pigment liquide utilisé pour décorer ou protéger des surfaces. Il est difficile de déterminer quand les premières peintures ont été fabriquées, car elles sont antérieures à l'histoire écrite. Les plus anciennes traces d'utilisation de la peinture sont des peintures rupestres, comme celles trouvées en France, en Espagne et en Afrique du Sud. Ces peintures primitives étaient fabriquées en broyant des substances pigmentées (par exemple, de l'ocre) et en les mélangeant à un simple liant liquide (par exemple, des œufs) pour les aider à adhérer à des surfaces telles que la pierre.

Les peintures à l'eau ont été utilisées tout au long de l'histoire pour créer des œuvres d'art intemporelles. Par exemple, les Égyptiens de l'Antiquité utilisaient des teintes vives et audacieuses pour orner leurs chambres funéraires. Des siècles plus tard, Michel-Ange a peint le célèbre plafond de la chapelle Sixtine avec de simples pigments en poudre mélangés à de l'eau (fresque).

Les peintures à l'huile ont été mises au point dès 600 après J.-C., comme en témoignent les peintures rupestres trouvées en Afghanistan. Ces peintures remplacent l'eau par une huile siccative et peuvent également contenir d'autres modificateurs. Les peintures à l'huile ont également été utilisées à des fins artistiques (par exemple, la Joconde de Léonard de Vinci, la Nuit étoilée de Vincent van Gogh), mais elles sont également populaires pour des raisons de protection, telles que l'imperméabilisation du bois.

Les pigments naturels proviennent généralement de sources végétales, minérales ou argileuses. Les pigments synthétiques, qui sont fabriqués par des techniques chimiques, thermiques ou autres, offrent une plus grande variété de couleurs. Les pigments naturels et synthétiques peuvent être classés comme organiques ou inorganiques

Il existe également des supports/liants naturels et synthétiques. Dans le passé, les peintures à l'huile utilisaient souvent de l'huile de lin comme support. Au début des années 1900, les alkydes artificiels ont été inventés et utilisés à cette fin. Les alkydes étaient bon marché et faciles à fabriquer, ils conservaient bien la couleur et étaient durables. Plus tard, des peintures à base de polymères, telles que l'acrylique et le latex, ont été mises au point et sont toujours populaires aujourd'hui.

L'utilisation de liants synthétiques a permis d'obtenir des peintures qui sèchent rapidement, qui ont moins tendance à jaunir et qui présentent un large éventail d'aspects et de propriétés de manipulation. Pour les formulations d'émulsions, les liants synthétiques ont éliminé l'utilisation de solvants organiques comme diluants et dilutions.

De quoi la peinture est-elle composée ?

La peinture se compose généralement d'un pigment, d'une résine, d'un solvant et d'additifs.

Les pigments sont utilisés pour donner de la couleur et pour contrôler le niveau de brillance. Une concentration volumique de pigments (CVP) plus faible donne une finition brillante, tandis qu'une CVP élevée donne un aspect mat et plat.

La résine est la substance qui lie les particules de pigment entre elles et assure l'adhérence à la surface colorée.

Le solvant sert de support aux pigments et à la résine. Il peut être organique ou à base d'eau.

Les additifs sont utilisés pour améliorer certaines propriétés telles que la facilité de brossage, la résistance aux moisissures, la résistance aux éraflures, le séchage et la résistance à l'affaissement.

Comment la peinture est-elle fabriquée ?

Le processus de production de la peinture peut être divisé en quatre étapes de base. Tout d'abord, la pâte est fabriquée (figure 1), puis les pigments sont broyés et dispersés à des fins d'homogénéité (figure 2). La troisième étape consiste à diluer la pâte (figure 3) et, enfin, à conditionner le produit final (figure 4).

Cependant, des ingrédients différents nécessitent une adaptation du processus de production, et l'exemple présenté est une généralisation. Les revêtements sont fabriqués par lots et des tests rigoureux sont appliqués tout au long du processus de production pour garantir la qualité.

Figure 1. La première étape de la production de peinture consiste à fabriquer la pâte en mélangeant les pigments, les additifs, le liant et les solvants.
Figure 2. La deuxième étape de la production de peinture consiste à broyer et à disperser les pigments dans la pâte.
Figure 3. La troisième étape de la production de peinture consiste à diluer la pâte avec des solvants, des liants et des pigments supplémentaires.
Figure 4. La dernière étape de la production de peinture consiste à emballer le produit final une fois qu'il a été filtré.

Contrôle de la qualité et filtrage des encres et des peintures

Le contrôle de la qualité (CQ) des encres et des peintures peut être effectué facilement à tous les stades de la production grâce à la spectroscopie dans le proche infrarouge (NIR). L'utilisation de la spectroscopie proche infrarouge pour le contrôle de la qualité et le dépistage des encres et des peintures est plus efficace et plus rentable que d'autres méthodes analytiques.

Le reste de cet article de blog présente une brève vue d'ensemble de la spectroscopie NIR et de ses applications pour l'industrie des encres et des peintures. Des exemples sont fournis sur la façon dont les producteurs d'encres et de peintures peuvent bénéficier de l'utilisation d'instruments NIRS pour l'assurance et le contrôle de la qualité afin de fabriquer des produits de haute qualité.

Spectroscopie NIR - comment fonctionne-t-elle ?

La spectroscopie NIR est une technique analytique qui utilise l'interaction entre la lumière et la matière pour déterminer les paramètres chimiques et physiques d'un échantillon. Dans ce cas, la lumière est décrite par la longueur d'onde ou le nombre d'ondes plutôt que par l'énergie appliquée. L'interaction peut être mesurée, par exemple, avec l'analyseur de liquide Metrohm DS2500 (figure 5a), qui génère des spectres NIR (figure 5b).

Figure 5. a) Le Metrohm NIRS DS2500 Liquid Analyzer. b) Exemple de spectres résultant de l'interaction de la lumière NIR avec cinq échantillons différents de sécheurs de peinture.

La NIRS étant très sensible à la présence de certains groupes fonctionnels moléculaires, c'est une technique idéale pour quantifier de nombreux paramètres chimiques. La teneur en substances non volatiles, les composés organiques volatils, la teneur en colorants, la teneur en agents tensioactifs et l'humidité peuvent être mesurés simultanément dans la peinture ou l'encre. Même la détection de paramètres physiques tels que la densité et la viscosité est possible avec la NIRS.

Un seul spectre NIR contient toutes ces informations, ce qui rend la spectroscopie proche infrarouge adaptée à l'analyse rapide de plusieurs paramètres.

Choix du mode de mesure NIRS

Le mode de mesure NIRS dépend du type d'échantillon à analyser.

Lors de l'analyse de liquides, le mode de transmission est approprié (figure 6). Pendant la transmission, la lumière NIR est absorbée lorsqu'elle traverse l'échantillon, et la lumière non absorbée va directement au détecteur.

Figure 6. a) Les mesures de liquides sont généralement effectuées à l'aide de flacons jetables. b) Le mode de mesure NIRS est connu sous le nom de transmission, où la lumière traverse l'échantillon tout en étant absorbée (de gauche à droite sur l'illustration).

Lors de l'analyse des pâtes, le mode de transflection est préféré (figure 7). Ici, un tampon d'or est utilisé comme réflecteur diffus. Dans ce cas, la lumière proche infrarouge est dirigée à travers l'échantillon de pâte tout en étant absorbée et réfléchie par le tampon d'or. La lumière proche infrarouge réfléchie est absorbée par l'échantillon et atteint finalement le détecteur.

Figure 7. a) La mesure des pâtes est généralement effectuée dans une coupelle à boue en utilisant un tampon d'or comme réflecteur diffus. b) Le mode de mesure est connu sous le nom de transflection, où la lumière traverse l'échantillon, se réfléchit sur le réflecteur diffus et traverse à nouveau l'échantillon tout en étant absorbée.

Avantages de l'utilisation de la NIRS à des fins de contrôle de qualité et de dépistage

La spectroscopie dans le proche infrarouge présente plusieurs avantages par rapport à d'autres techniques d'analyse, notamment en matière de contrôle de la qualité et de dépistage.

La NIRS est rapide et fournit des résultats en moins d'une minute. Aucune préparation d'échantillon n'est nécessaire, ce qui permet de gagner encore plus de temps. Les mesures sont non destructives et les échantillons peuvent donc être réutilisés. Aucun réactif n'est nécessaire lorsque la spectroscopie NIR est utilisée pour l'analyse. Cela permet non seulement de réduire le coût par échantillon, mais aussi de rendre cette technique respectueuse de l'environnement.

La NIRS est également conforme aux normes internationales telles que l'ASTM E1655 : Standard Practices for Infrared Multivariate Quantitative Analysis, ce qui facilite son adoption par les industries. Enfin, la NIRS est facile à utiliser et peut être exploitée par du personnel non technique, contrairement à d'autres techniques d'analyse plus complexes.

Contrôle de la qualité et paramètres de sélection pour la production d'encres et de peintures

Les encres et les peintures sont soumises à plusieurs méthodes d'essai normalisées afin de déterminer leurs propriétés chimiques et physiques. Ces essais en laboratoire sont indispensables à la recherche et au développement, ainsi qu'au contrôle de la qualité. Le tableau 1 énumère les paramètres d'essai les plus pertinents pour le contrôle de la qualité et la sélection des encres et des peintures.

Des exemples d'application montrant la capacité de la NIRS à analyser simultanément plusieurs de ces paramètres à partir du même échantillon sont présentés dans les sections suivantes.

Tableau 1. Différents paramètres de contrôle de qualité et de sélection pour les encres et les peintures, ainsi que la méthode typique utilisée pour l'analyse.

Paramètres Méthode d'analyse conventionnelle
Viscosité intrinsèque, kinématique Viscométrie
Humidité Karl Fischer titration
Teneur en tensioactifs Titration
Contenu non volatile / Teneur en solides Perte au séchage (LOD)
Teneur en colorants / Teneur en pigments Ashing
Composés organiques volatils (VOC) Multiples méthodes chimiques par voie humide
Additifs et cire dans les peintures d'emballage HPLC etGC

Exemple d'application : Contrôle de la qualité de l'encre à l'aide de la NIRS

Lors des contrôles de qualité effectués au cours de la production des encres, les paramètres typiques mesurés sont la teneur en colorant, en diéthylène glycol (DEG), en agent tensioactif et en eau. Le colorant (par exemple, triphénylméthane/phénazine ou colorants azoïques) donne sa couleur à l'encre. Le diéthylène glycol est utilisé comme solvant et empêche l'encre de sécher. Les surfactants contrôlent la texture et empêchent l'encre de mousser.

Ces paramètres sont généralement contrôlés à l'aide de différentes techniques analytiques, notamment l'incinération, le titrage et le titrage Karl Fischer. La préparation des échantillons prend du temps et l'utilisation de plusieurs méthodes de détermination est fastidieuse. L'utilisation de la NIRS permet de mesurer simultanément plusieurs paramètres de contrôle de la qualité de l'encre et d'obtenir des résultats en moins d'une minute.

Les spectres NIR de plusieurs échantillons d'encre sont présentés à la figure 8 et le diagramme de corrélation correspondant pour la prédiction de la teneur en colorants à la figure 9. Les chiffres de mérite pour la prédiction NIRS du colorant, du DEG, de l'agent tensioactif et de l'eau dans l'encre sont indiqués dans le tableau 2.

Figure 8. Sélection de spectres Vis-NIR d'échantillons d'encre mesurés sur un analyseur Metrohm NIRS DS2500 en mode transflection. L'incrustation montre comment les spectres diffèrent en fonction de la teneur en colorant.
Figure 9. Diagramme de corrélation pour la prédiction de la teneur en colorants dans l'encre à l'aide d'un analyseur Metrohm NIRS DS2500.

Tableau 2. Chiffres clés pour divers paramètres de contrôle de la qualité dans des échantillons d'encre à l'aide d'un analyseur Metrohm NIRS DS2500.

Chiffres clés Teneur en colorants Teneur en DEG Teneur en eau Teneur en tensioactifs
R2 0.996 0.993 0.991 0.977
Erreur standard d'étalonnage (SEC) 0.0835% 0.5037% 0.5571% 0.0368%
Erreur standard de validation croisée (SECV) 0.0949% 0.5888% 0.9614% 0.1316%

Exemple d'application : Contrôle de la qualité des sécheurs de peinture à l'aide de la NIRS

Les déshydrateurs de peinture réduisent le temps de séchage des peintures et affectent la brillance et la clarté du revêtement. Dans ce cas, les principaux paramètres de contrôle de qualité sont la teneur en métal, la teneur en solides, la viscosité et la densité.

Toutes les procédures de test de référence pour ces paramètres sont spécifiées dans les procédures—ASTM D2373, ASTM D1644, ASTM D5125, et ASTM D2196. Chaque norme utilise différents instruments d'analyse pour les mesures : balances et fours, titrateurs, hydromètres et viscosimètres. En revanche, l'utilisation de la NIRS pour mesurer tous ces paramètres simultanément permet de gagner beaucoup de temps et de réduire les coûts par analyse.

Figure 10. Sélection de spectres Vis-NIR d'échantillons de sécheurs de peinture mesurés sur un analyseur de liquide Metrohm NIRS DS2500 en mode transmission. Les spectres diffèrent en fonction de la teneur en cobalt.
Figure 11. Diagramme de corrélation pour la prédiction de la teneur en cobalt dans les siccatifs de peinture à l'aide d'un analyseur de liquide Metrohm NIRS DS2500.

Tableau 3. Chiffres clés pour divers paramètres de contrôle de qualité dans des échantillons de sécheurs de peinture à l'aide d'un analyseur de liquide Metrohm NIRS DS2500.

Chiffres clés Teneur en cobalt* Teneur en solides Densité Viscosité
R2 0.999 0.999 0.977 0.999
SEC 0.08% 0.24% 0.003% 9.3 MPa
SECV 0.09% 0.29% 0.003% 10.9 MPa
* La gamme spectrale présentant les meilleurs résultats pour la mesure du cobalt se situe dans la région visible (400-800 nm, voir figure 9).

Résumé

La NIRS est un excellent choix pour le contrôle de la qualité et le dépistage des encres et des peintures tout au long de la chaîne de production, des matières premières aux produits finis. Ses avantages par rapport aux autres techniques d'analyse ne peuvent être sous-estimés. La possibilité d'effectuer une analyse multiparamétrique sur un seul échantillon et d'obtenir des résultats en moins d'une minute permet d'économiser une quantité incroyable de temps et d'argent.

Les techniques de laboratoire conventionnelles nécessitent généralement un préconditionnement de l'échantillon ou des produits chimiques, ainsi qu'un personnel qualifié pour effectuer les analyses. Chaque paramètre est mesuré à l'aide d'un instrument différent, et les résultats sont donc beaucoup plus longs à produire.

Informations à retenir

Note d'aplication : Dye, diethylene glycol, water and surfactant content in ink

Note d'application : Butyl glycol and propylheptyl alcohol in water-borne paint

Note d'application : Determination of amine number and solid content of dipping paint

Note d'application : Cobalt content, solids content, specific weight and viscosity in cobalt octoate

Note d'application :  Rheological additive and wax in packaging paint by Vis-NIR spectroscopy – Multiple parameters with one measurement

Application Bulletin: Analysis of lacquers and paints using near-infrared spectroscopy

Metrohm DS2500 Analyzers

Augmentez l'efficacité du laboratoire de contrôle de la qualité : Comment la NIRS permet de réduire les coûts jusqu'à 90

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La sous-estimation des processus de contrôle de qualité est l'un des principaux facteurs à l'origine des défaillances internes et externes des produits, qui entraînent une perte de chiffre d'affaires de l'ordre de 10 à 30 %. En conséquence, de nombreuses normes différentes sont mises en place pour aider les fabricants dans ce domaine. Cependant, le temps nécessaire pour obtenir des résultats et les coûts associés aux produits chimiques peuvent être excessifs, ce qui a conduit de nombreuses entreprises à mettre en œuvre la spectroscopie dans le proche infrarouge dans leur processus de contrôle de la qualité. Ce livre blanc illustre le potentiel de la spectroscopie proche infrarouge et permet de réaliser des économies pouvant aller jusqu'à 90 %.

Auteurs
Guns

Wim Guns

International Sales Support Spectroscopy
Metrohm International Headquarters, Herisau, Switzerland

Contact

Lanciki

Dr. Alyson Lanciki

Scientific Editor
Metrohm International Headquarters, Herisau, Switzerland

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