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

• Auteur / Autrice : Erwan-Nicolas Paineau
• Direction : Laurent Michot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Soutenance le 31/01/2011
• Etablissement(s) : Vandoeuvre-les-Nancy, INPL
• Ecole(s) doctorale(s) : RP2E - Ecole Doctorale Sciences et Ingénierie des Ressources, Procédés, Produits, Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire environnement et minéralurgie
• Jury : Président / Présidente : Patrick Davidson
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Michot, Patrick Davidson, Henk N.W. Lekkerkerker, Emmanuel Trizac, Eric Ferrage, Jocelyne Brendle-Miehe, Christophe Baravian, Isabelle Bihannic
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Henk N.W. Lekkerkerker, Emmanuel Trizac

Mots clés

Mots clés contrôlés

Champs électriques

Champs magnétiques

Rhéologie

Smectites

Mots clés libres

Argile

Nématique

Gel

SAXS

Rhéologie

Champs électrique et magnétique

Clay

Nematic

Gel

SAXS

Rheology

Electric and magnetic fields

Résumé

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

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