Transitions de phases dans les argiles : influence de la minéralogie et de la morphologie : comportement sous écoulement et sous champs, Phases transitions in clay minerals : impact of mineralogy and morphology : behaviour under flow and external fields
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Thèse soutenue le 31 janvier 2011: INPL
L’objectif de ce travail est d’étudier les transitions de phases sol-gel et isotrope-nématique dans des suspensions de smectites dioctaédriques en fonction de la morphologie et de la nature minéralogique des argiles. Bien que tous les systèmes étudiés présentent une transition sol-gel à de faibles fraction volumique, la transition cristal-liquide isotrope-nématique n’a pu être identifiée que dans le cas de suspensions de smectites ayant un déficit de charge tétraédrique. L’effet de la localisation de la charge sur le comportement colloïdal a été déterminée à l’aide de la diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS) et par des mesures rhéologiques. La nature des interactions électrostatiques dans ces suspensions est purement répulsive et rejette l’idée d’une structure tridimensionnelle de type « château de carte ». Cependant, les smectites ayant un déficit de charge tétraédrique sont plus répulsives et ont des propriétés viscoélastiques plus faibles que celles ayant un déficit octaédrique. Il a également été montré que la dépendance en taille de particules de la position de la transition sol-gel était liée à une statistique de piégeage hydrodynamique des plaquettes d’argile. Finalement, l’application de champs externes (électrique et magnétique) a permis d’obtenir l’alignement de la phase nématique tandis que dans la phase isotrope, le champ électrique induit un ordre antinématique parfait. Afin de préserver l’ordre induit, ces suspensions ont été polymérisées sous champ permettant l’obtention de nanocomposites orientées et structurés
-Argile
-Nématique
-Gel
-SAXS
-Rhéologie
-Champs électrique et magnétique
The aim of this work is to study sol-gel and isotropic-nematic phases transitions in suspensions of dioctahedral smectites depending on the morphology and mineralogical nature of clays. Although all the systems studied exhibit a sol-gel at low volume fraction, the liquid-crystalline isotropic-nematic transition could be identified only in the case of smectites with tetrahedral charge deficit. The effect of charge location on the colloidal behavior was determined using small-angle X-ray scattering (SAXS) and rheological measurements. The nature of electrostatic interactions in these suspensions is purely repulsive and rejects the idea of the so-called “house of card” network. However, smectites with a charge deficit located in the tetrahedron are more repulsive and their viscoelastic properties are lower than octahedrally substituted clays. It was also shown that the particle size dependence of the volume fraction corresponding to the sol-gel transition c was related to a simple statistical hydrodynamic trapping of clay platelets. Finally, the application of external fields (electric and magnetic) has resulted in the alignment of the nematic phase while in the isotropic phase, the electric field induces a perfect antinematic order. To preserve the induced alignment, these suspensions were polymerized under the field to obtain perfectly aligned and patterned nanocomposites
-Clay
-Nematic
-Gel
-SAXS
-Rheology
-Electric and magnetic fields
Source: http://www.theses.fr/2011INPL005N/document
AVERTISSEMENT
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Contact SCD INPL: mailto:scdinpl@inpl-nancy.fr
LIENS
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http://www.culture.gouv.fr/culture/infos-pratiques/droits/protection.htm
Institut National Polytechnique de Lorraine
Ecole Nationale Supérieure Laboratoire Environnement Ecole doctorale Ressources Procédés
de Géologie Produits Environnement et Minéralurgie
Thèse
Présentée à
l’Institut National Polytechnique de Lorraine
pour l’obtention du titre de
Docteur de l’INPL
GEOSCIENCES
par
Erwan-Nicolas PAINEAU
TRANSITIONS DE PHASES DANS LES ARGILES.
INFLUENCE DE LA MINERALOGIE ET DE LA
MORPHOLOGIE. COMPORTEMENT SOUS ECOULEMENT
ET SOUS CHAMPS
Soutenue publiquement le 31 janvier 2011 devant la commission d'examen
Patrick DAVIDSON Président LPS, Orsay
Henk N.W. LEKKERKERKER Rapporteur Van’t Hoff Laboratory, Utrecht
Emmanuel TRIZACLPTMS, Orsay
Eric FERRAGE Examinateur HydraASA, Poitiers
Jocelyne BRENDLE-MIEHELMPC, Mulhouse
Christophe BARAVIANLEMTA, Nancy
Isabelle BIHANNICLEM, Nancy
Laurent J. MICHOTTable des matières
Avant propos........................................................................................................ 9
Introduction ....................................................................................................... 15
I. Généralités .................................................................................................. 21
I.1. Introduction.............................................................................................................. 21
I.2. Rappels sur la structure cristalline des argiles ......................................................... 21
I.2.1. La couche tétraédrique ..................................................................................... 21
I.2.2. La couche octaédrique...................................................................................... 22
I.2.3. Classification des phyllosilicates ..................................................................... 22
I.2.4. Cas des phyllosilicates 2/1 ............................................................................... 24
I.2.5. Organisation des feuillets ................................................................................. 25
I.3. Gonflement des smectites et forces d’interactions................................................... 25
I.3.1. Le gonflement cristallin ................................................................................... 26
I.3.2. Le gonflement osmotique................................................................................. 26
I.3.3. Modèle DLVO.................................................................................................. 27
I.4. Organisation des smectites en suspension................................................................ 28
I.4.1. Le modèle attractif ........................................................................................... 28
I.4.2. Le modèle répulsif............................................................................................ 29
I.4.3. Combinaison des deux modèles ....................................................................... 30
I.4.4. Cas de la Laponite 30
I.5. Propriétés cristal-liquides......................................................................................... 31
I.6. Conclusion................................................................................................................ 34
I.7. Bibliographie............................................................................................................ 34
3II. Purification et caractérisation des smectites ........................................ 45
II.1. Généralités................................................................................................................ 45
II.2. Purification et tri en tailles des argiles ..................................................................... 46
II.3. Caractérisation minéralogique.................................................................................. 48
II.3.1. Diffraction des Rayons X (DRX) 48
II.3.2. Spectroscopie Infra-rouge (IR)......................................................................... 49
II.3.3. Capacité d’Echange Cationique (CEC)............................................................ 50
II.3.4. Résultats........................................................................................................... 51
II.4. Morphologie............................................................................................................. 55
II.4.1. Principe 55
II.4.2. Conditions expérimentales............................................................................... 55
II.4.3. Résultats 56
II.5. Stress osmotique....................................................................................................... 58
II.5.1. Principe............................................................................................................. 58
II.5.2. Conditions expérimentales............................................................................... 59
II.5.3. Résultats........................................................................................................... 60
II.6. Bibliographie............................................................................................................ 61
Partie 1 : Transitions de phase isotrope/nématique et sol/gel....................... 67
III. Comportement colloïdal des suspensions de beidellite........................ 71
III.1. Introduction.......................................................................................................... 71
III.2. Caractérisation optique des transitions de phase.................................................. 71
III.2.1. Principe des observations en lumière polarisée................................................ 71
III.2.2. Conditions expérimentales............................................................................... 72
III.2.3. Effets prétransitionnels..................................................................................... 73
4III.2.4. Transition isotrope-nématique.......................................................................... 73
III.2.5. Textures du gel................................................................................................. 79
III.3. Structure des différentes phases ........................................................................... 80
III.3.1. Principe de la diffusion des rayons X aux petits angles................................... 80
III.3.2. Conditions expérimentales............................................................................... 81
III.3.3. Résultats........................................................................................................... 82
III.4. Lois de gonflement............................................................................................... 87
III.5. Elaboration du diagramme de phase .................................................................... 89
III.6. Rôle de la spécificité ionique 91
III.7. Conclusion............................................................................................................ 96
III.8. Bibliographie........................................................................................................ 97
IV. Transitions de phase dans des suspensions de nontronite NAu-1.... 103
IV.1. Introduction 103
IV.2. Abstract.............................................................................................................. 104
IV.3. Introduction........................................................................................................ 104
IV.4. Materials and Methods....................................................................................... 106
IV.5. Results and discussion. 108
IV.5.1. Size measurements......................................................................................... 108
IV.5.2. Visual observations. 109
IV.5.3. Rheological characterization.......................................................................... 112
IV.5.4. Phase diagrams...............................................................................................
