– Les poudres d’alumine servent notamment dans la fabrication de certaines c´eramiques. Les c´eramiques d’alumine sont habituellement opaques `a cause de la r´eflexion de la lumi`ere sur la microporosit´e r´esiduelle. Mais par un proc´ed´e utilisant de l’hydrog`ene sur une alumine ultra pure et de granulom´etrie inf´erieure au micron, la mobilit´e des grains est r´eduite. La pr´esence de MgO (incorpor´e par dopage) empˆeche les grains de grossir, la porosit´e peut ˆetre pratiquement ´elimin´ee et les pores restant ne d´epassent pas un micron. Ces c´eramiques d’alumines sont translucides et sont couramment utilis´ees dans les ampoules HPS (High Pressure Sodium) lesquelles sont les plus r´epandues pour l’ext´erieur. Environ 80% des ampoules HPS dans le monde sont fabriqu´ees `a
CHAPITRE 2. PR ´ESENTATION ET CARACT ´ERISATION DES ALUMINES ´
ETUDI ´EES
partir des poudres d’alumine ultra pures Ba¨ıkowski. La tour Eiffel, le Christ du Corcovado `a Rio de Janeiro et le MGM Hotel `a Las Vegas sont entre autres ´eclair´es ainsi.
Les c´eramiques faites `a base d’alumine trouvent d’autres applications dans les bioc´eramiques, l’ultrafiltration, les mat´eriaux composites et des pi`eces de pr´ecision.
– Les poudres d’alumines sont ´egalement utilis´ees comme additifs et protecteurs de surface. L’alumine pr´esente des propri´et´es int´eressantes dans de nombreux domaines tels : l’´eclairage fluorescent, l’´electromagn´etisme, les encres et les toners, les polym`eres, les peintures et vernis, les r´esines ´epoxy, les films et les fibres, les parquets et les sols plastifi´es.
Elle a des propri´et´es en recouvrement des surfaces : r´esistance `a l’abrasion et aux rayures, isolation `a l’humidit´e, absorption d’encre et saturation de la couleur.
Elle pr´esente ´egalement des propri´et´es ´electriques et thermiques puisque c’est un isolant.
– Les poudres d’alumine, mais aussi de c´erium ou de silice, servent dans le po- lissage. La pr´ecision du polissage par l’alumine vient de la taille uniforme des grains et de leur duret´e. Les applications principales sont le polissage des disques durs, l’optique de pr´ecision, la m´etallographie et la micro-abrasion (des dents ou de la peau).
Apr`es avoir consacr´e la premi`ere partie de ce m´emoire `a la pr´esentation des alumines et en particulier des alumines Ba¨ıkowski, nous allons nous attacher dans la seconde partie `a d´efinir la notion d’´energie de surface d’un solide, principal sujet d’´etude de ce travail.
Deuxi`eme partie
Chapitre 3
Notion d’´energie de surface d’un
solide
Quelque soit l’´etat de la mati`ere, il existe des forces intermol´eculaires mises en ´evidence par Van der Waals qui sont majoritairement ´electrostatiques. Elles sont attractives `a longue distance et r´epulsives `a courte distance. Les interactions de la mati`ere ´etant dˆues `a plusieurs types de forces, nous allons commencer par d´efinir les diff´erents types d’interactions que l’on peut rencontrer puis nous d´efinirons l’´energie de surface d’un solide qui se d´ecompose en plusieurs termes.
3.1
Interactions intermol´eculaires
Dans un solide, les atomes sont soumis `a diff´erentes forces qui assurent leur coh´esion et dont la r´esultante est nulle. Par contre, `a la surface du solide, et donc `a l’interface gaz-solide, cette r´esultante n’est pas nulle et l’adsorption de mol´ecules ga- zeuses ou liquides provenant du milieu avoisinant compense ces forces. L’adsorption est un ph´enom`ene exothermique : elle se produit spontan´ement en mettant en jeu diff´erents types d’interactions intermol´eculaires : les interactions de Van der Waals s´epar´ees en interactions dispersives (forces de London) et sp´ecifiques (forces de Kee- som et Debye), et les interactions de type acide / base, liaisons Hydrog`ene, ioniques, m´etalliques...
3.1.1
Interactions de Van der Waals
Les forces attractives que peuvent manifester des atomes ou des mol´ecules se d´ecomposent essentiellement en trois termes qui repr´esentent les interactions de Kee- som, Debye et London. Il s’agit d’interactions d’origines ´electriques entre diff´erents dipˆoles, permanents ou induits.
– Les forces de Keesom repr´esentent les interactions de type dipˆole/dipˆole et ont un effet d’orientation sur les mol´ecules. Un dipˆole s’orientera de fa¸con pa- rall`ele par rapport `a l’autre dipˆole suivant un arrangement ´energ´etiquement fa- vorable. Ces forces sont en g´en´eral inf´erieures `a 21kJ/mole. Une bonne approxi-
CHAPITRE 3. NOTION D’ ´ENERGIE DE SURFACE D’UN SOLIDE
mation de l’´energie moyenne d’orientation UK en fonction de la temp´erature
T est [10] : UK =− 2 3 μ21μ22 r6.kT (3.1)
avec μ1 et μ2 les moments dipolaires de deux mol´ecules, r la distance entre les mol´ecules et k la constante de Boltzmann, le facteur kT apparaˆıt car l’agita- tion thermique doit ˆetre surmont´ee pour orienter les dipˆoles.
– Les forces de Debye sont celles qui existent entre un dipˆole permanent et un dipˆole induit. Elles t´emoignent de la polarisation d’une mol´ecule (polaire ou apolaire) sous l’influence d’une mol´ecule polaire. On parle d’effet d’induc- tion quand le dipˆole induit et le dipˆole permanent sont attir´es mutuellement. L’agitation thermique n’intervient pas dans ces interactions. Cet effet est tr`es faible par rapport aux effets de Keesom ou London (inf´erieur `a 2kJ/mole) et peut ˆetre n´eglig´e [11].
UDe =−
1
r6 (α1μ 2
2 + α2μ21) (3.2)
– Les forces de London sont les interactions qui existent entre deux dipˆoles induits. On parle d’effet de dispersion. Leur origine est due `a l’asym´etrie instan- tan´ee du nuage ´electronique d’une mol´ecule qui polarise le nuage ´electronique des mol´ecules adjacentes. Cette polarisation cr´ee un dipˆole induit instantan´e, de polarit´e oppos´ee, qui provoque lui aussi une attraction. Cette force est l’effet dominant par rapport aux autres. Elle est inf´erieure `a 42kJ/mole. London a montr´e qu’en premi`ere approximation le potentiel d’interaction Uds’´ecrit [12] :
Ud =− 3 2 h r6α1α2 ν1ν2 ν1+ ν2 (3.3) avec h la constante de Planck, r la distance entre les mol´ecules, α1 et α2 les polarisabilit´es des deux mol´ecules et ν1 et ν2 les fr´equences propres d’oscilla- tions ´electroniques.
Les forces de London sont ind´ependantes de la temp´erature. Elles sont aussi appel´ees interactions dispersives ou non sp´ecifiques car elles existent quelle que soit la nature des partenaires mis en jeu. Ce n’est pas le cas pour les forces de Keesom et de Debye qui sont des interactions sp´ecifiques n’existant que si la nature des partenaires le permet.
3.1.2
Autres interactions
Les autres interactions sont de type sp´ecifique, ce sont par d´efinition toutes les interactions autres que celles de London qui, comme nous venons de le voir, in- terviennent quels que soient les syst`emes consid´er´es. Les interactions sp´ecifiques d´ependent du couple en interaction. Par exemple, un alcane ne pourra ´echanger