Comportement mécanique des poudres et comprimés pharmaceutiques en compression : dépendance à la vitesse de déformation

Abstract

Le comprimé est la forme pharmaceutique la plus répandue du fait des nombreux avantages qu’elle présente. Il est obtenu par une opération de compression à froid en matrice à partir de grains de poudre dont la taille est de l’ordre de 100µm. Contrairement à d’autres domaines où la compression en matrice est utilisée comme les céramiques ou les métaux, les cadences de production des comprimées pharmaceutiques sont très élevées et l’opération de compression en elle-même dure quelques millisecondes. Bien que le procédé de compression en matrice soit utilisé depuis plus d’un siècle, un certain nombre de problèmes restent encore à comprendre. Il est par exemple bien connu que la vitesse de compression a un impact important sur les propriétés finales du comprimé mais aussi sur l'apparition de certains défauts comme le clivage. Si cet impact a été mis en évidence dans de nombreuses études, une analyse fine des phénomènes physiques sous-jacents reste à construire. Ce type de phénomène est désigné par le terme de "sensibilité à la vitesse de déformation" mais différents mécanismes y participent comme le frottement entre la matrice et le comprimé ou la viscoélasticité et la viscoplasticité du comprimé. Ce travail de recherche a eu pour objectif de développer une meilleure compréhension et description de ces trois mécanismes à travers la mise en place de méthodologies expérimentales permettant de les étudier séparément et l'utilisation de modèles, analytiques et numériques, permettant leur description.La variation du coefficient de frottement dynamique en fonction de la vitesse de glissement a d'abord été étudiée. Il a été possible de montrer que dans le cas de la lubrification avec du stéarate de magnésium, ce coefficient de frottement varie de manière logarithmique avec la vitesse de glissement. Ce type de comportement a été intégré dans les modèles de simulation numérique. Ensuite, un protocole original a permis de caractériser le comportement viscoélastique des comprimés. Il a été mis en évidence que la viscoélasticité était présente à la fois dans les composantes déviatorique et isostatique des déformations. Ce comportement a été modélisé à l'aide de séries de Prony par une approche analytique puis numérique. Ceci a permis de montrer pour certains matériaux l'importance de la viscoélasticité sur les temps caractéristiques courts représentatifs des temps de compression. Enfin, la partie viscoplastique de la dépendance à la vitesse de déformation a été étudiée notamment à travers l'utilisation d'essais de type écrouissage en faisant varier les vitesses de compression et les temps de relaxation. Ces essais ont permis de caractériser le comportement viscoplastique de certains matériaux et de faire apparaître certains phénomènes non décrits pour les matériaux pharmaceutiques s'apparentant à du vieillissement dynamique sous déformation. De plus, il apparaît que les vitesses de compression accessibles sur la machine utilisée (0,01mm/s - 100mm/s) sont très supérieures à une vitesse qui pourrait permettre de considérer les déformations plastiques comme quasi-statique.