Composante non dispersiveComposante non dispersive
2. CARACTERISATION DES CARACTERISATION DES CARACTERISATION DES PARTICULES DE TALC CARACTERISATION DES PARTICULES DE TALC PARTICULES DE TALC PARTICULES DE TALC 1.
2.2. ENERGIE DE SURFACE D ENERGIE DE SURFACE D ENERGIE DE SURFACE D ENERGIE DE SURFACE DU TALC U TALC U TALC U TALC
2.2.5. Gravimétrie par sorption de vapeur Gravimétrie par sorption de vapeur Gravimétrie par sorption de vapeur Gravimétrie par sorption de vapeur
2.2.5.2.2.5.
2.2.5. Gravimétrie par sorption de vapeurGravimétrie par sorption de vapeurGravimétrie par sorption de vapeur Gravimétrie par sorption de vapeur
L’appareil utilisé est une Dynamic Vapour Sorption (DVS-2) de Surface Measurement System®. La balance de sorption, entièrement automatisée, est constituée d’une microbalance permettant d’effectuer des changements de masse inférieurs à 5.10-6
g. La microbalance est placée dans une enceinte à température contrôlée et maintenue constante. Elle mesure la prise en masse d’adsorption et de désorption de vapeur, au cours du temps. L’humidité à fournir est générée par un mélange de gaz, sec et saturé dans des proportions contrôlées par des débitmètres. La température est fixée à 25°C.
Figure II. Figure II. Figure II.
Figure II. 20202020 : Schéma d’un système dynamique de sorption de vapeur: Schéma d’un système dynamique de sorption de vapeur: Schéma d’un système dynamique de sorption de vapeur : Schéma d’un système dynamique de sorption de vapeur
La mesure d’énergie de surface par la gravimétrie de sorption de vapeur est basée sur le modèle de Fowkes. Grâce à une isotherme de sorption, on calcule une pression d’équilibre d’étalement πe. Ainsi on en déduit un travail d’adhésion en utilisant un liquide apolaire et en
considérant que toute la surface du talc est apolaire, ce qui n’est pas le cas en réalité.
Différents liquides ont été utilisés. Dans un premier temps l’étude s’est portée sur l’adsorption d’hexane. En effet, avec cet alcane, nous avons déterminé la composante dispersive de notre poudre. Etant donné que nous considérons la formation de monocouche pour des pressions partielles en vapeur organique inférieures à 45%, les valeurs des pressions d’équilibre d’étalement sont calculées dans les mêmes conditions selon l’équation I.68 rappelée ci dessous. ln e RT d p π σ =
∫
Θ (II.12) Microbalance Humidificateur Echantillon Référence Purge Sonde de température et d’humidité Contrôle flux de gaz - 1 Contrôle flux de gaz - 2 Chambre isothermeLes valeurs des surfaces spécifiques sont mesurées avec chaque solvant et récapitulées dans le tableau 8 de ce chapitre.
Dans les trois tableaux ci-dessous sont présents les pressions d’équilibre d’étalement, travaux d’adhésion et énergies de surface (composante dispersion ou énergie de surface totale).
Dans le Tableau 17, la composante dispersive seule est mesurée puisque le solvant est l’hexane, un alcane qui ne présente pas de composante polaire.
Tableau Tableau Tableau
Tableau 17171717 : Travail d’adhésion et composante dispersive (mJ/m: Travail d’adhésion et composante dispersive (mJ/m: Travail d’adhésion et composante dispersive (mJ/m: Travail d’adhésion et composante dispersive (mJ/m2222
)))) Talc πe Wadh γS d 1 13,8 50,6 34,7 2 15,4 52,2 37,0 3 12,5 49,3 32,9
Comme nous l’avons vu avec les résultats de la montée capillaire, le paramètre φ entre le talc et l’isopropanol est presque de 1. Donc l’étude des isothermes de sorption a été effectuée avec ce solvant. Les résultats sont consignés dans le Tableau 18.
Tableau Tableau Tableau
Tableau 181818 : Travail d’adhésion et énergie de surface totale (mJ/m18: Travail d’adhésion et énergie de surface totale (mJ/m: Travail d’adhésion et énergie de surface totale (mJ/m: Travail d’adhésion et énergie de surface totale (mJ/m2222
)))) Talc πe Wadh γS
1 19,2 64,0 45,7
2 19,7 64,5 46,4
3 21,4 66,2 48,9
Comme cela a été mentionné dans la partie théorique, l’utilisation de cette méthode n’est valable qu’avec des liquides ayant une énergie de surface inférieure à celle des solides, c’est à dire mouillant la poudre.
Et pour vérifier cette hypothèse, nous avons utilisé l’eau et constaté que les valeurs d’énergie de surface sont largement supérieures.
Tableau Tableau Tableau
Tableau 19191919 : Travail d’adhésion talc/eau (mJ/m: Travail d’adhésion talc/eau (mJ/m: Travail d’adhésion talc/eau (mJ/m: Travail d’adhésion talc/eau (mJ/m2222
)))) Talc πe Wadh γS d 1 3,2 148,8 76,0 2 1,6 147,2 74,3 3 1,0 146,6 73,8
Or Helmy (Helmy A.K. et al., 2005) utilise cette technique pour différents solides divisés et trouve une valeur d’énergie de surface totale avec l’eau égale à 217 mJ.m-2
pour le talc en utilisant des surfaces spécifiques mesurées avec un gaz inerte. Ce n’est donc pas la surface réelle sur laquelle viendra s’adsorbée l’eau.
Connaissant la composante dispersive de l’énergie de surface du solide, ainsi que l’énergie de surface totale, nous pouvons par la théorie, calculer la composante polaire de l’énergie de surface du talc avec l’équation suivante :
=γ γ
d+γ
p (II.13)Tableau Tableau Tableau
Tableau 20202020 : Composante polaire (mJ/: Composante polaire (mJ/: Composante polaire (mJ/: Composante polaire (mJ/mmmm2222
)))) Talc
γ
S dγ
Sγ
S p 1 34,7 45,7 11,0 2 37,0 46,4 9,4 3 32,9 48,9 16,0Cette équation a été utilisée car il n’existe pas de solvants présentant une composante polaire uniquement.
L’utilisation de la sorption de vapeur en dynamique donne des résultats très intéressants. Il faut cependant rester attentif et rigoureux dans le choix des solvants utilisés.
2.3.
2.3.2.3.
2.3.CONCLUSIONCONCLUSIONCONCLUSIONCONCLUSION
Les différentes techniques mises en place au cours de ce travail ont permis d’obtenir une énergie de surface moyenne du talc. Les mesures faites par chromatographie gazeuse inverse à dilution infinie durant la thèse de M.P. Comard (Comard M.P., 2001), sont très différentes : la composante dispersive de l’énergie de surface du même talc est très élevée (de l’ordre de 140 mJ.m-2
). Cette valeur proviendrait de la structure lamellaire du talc. Les alcanes linéaires trouveraient des conditions d’interactions optimales lorsqu’ils s’approchent ou s’insèrent dans les défauts des structures lamellaires. De plus, lorsque les alcanes sont insérés entre deux couches, ils voient non plus une, mais deux surfaces. L’information délivrée par ces alcanes est alors faussée, et la composante dispersive calculée est trop élevée par rapport à la valeur représentative de l’ensemble de la surface (Saad A. et al., 1995).
En résumé, les trois talcs étudiés présentent les mêmes propriétés de surface, le broyage n’a pas modifié leurs énergies de surface moyennes.
Différentes techniques nous permettent donc d’accéder à l’énergie de surface du talc. La méthode de Stevens donne un nombre de mouillage de 36-38 mJ.m2
. Celle de Zisman une énergie de surface critique d’environ 28 mJ.m2
, avec un changement caractéristique aux environ de 47 mJ.m2
.
Tableau Tableau Tableau
Tableau 212121 : Energies de surface de trois échantillons de talc de granulométrie différentes21: Energies de surface de trois échantillons de talc de granulométrie différentes: Energies de surface de trois échantillons de talc de granulométrie différentes: Energies de surface de trois échantillons de talc de granulométrie différentes
Modèle
γ
S dγ
S pγ
S TTalc 1 Talc 2 Talc 3 Talc 1 Talc 2 Talc 3 Talc 1 Talc 2 Talc 3 Owens Wendt-Kaeble 40,7 40,5 41,3 6,7 7,0 6,4 47,4 47,6 47,5
Van Oss 36,8 36,8 36,8 9,9 9,6 9,5 46,7 46,4 46,3 Sorption de vapeur 34,7 37,0 32,9 11,0 9,4 16 45,7 46,4 48,9
Les valeurs des composantes dispersives du modèle de Van Oss sont arbitraires, en effet en fonction de l’alcane choisi au départ, les valeurs seront différentes puisque nous considérons dans ce calcul le modèle de Fowkes qui s’applique à la composante dispersive uniquement. Par contre, pour les valeurs des composantes polaires et des paramètres accepteurs et donneurs d’électrons, l’utilisation de plusieurs solvants nous donne des résultats très représentatifs. En ce qui concerne la composante dispersive du talc déterminée par DVS, les données ne sont pas faussées de la même façon avec l’utilisation d’un autre alcane. En effet dans cette technique l’encombrement moléculaire de l’alcane intervient ainsi que sa surface spécifique. Par contre la détermination de l’énergie de surface totale du talc à l’aide de l’isopropanol part de l’hypothèse que le paramètre φ de Good et Garifalco a été déterminé ultérieurement et est très proche de 1.
Tableau Tableau Tableau
Tableau 222222 : Résumé du comportement des talcs avec l’eau22: Résumé du comportement des talcs avec l’eau: Résumé du comportement des talcs avec l’eau: Résumé du comportement des talcs avec l’eau
Talc
θ (
talc -eau) γ
SV Wtotal1 89° 46,7 2,27
2 89° 46,4 1,97
3 89° 46,3 1,87
En conclusion, l’énergie de surface du talc est connue comme étant très difficile à déterminer particulièrement à cause de la structure en feuillets de ce minerai qui induit la présence de deux types de surfaces très différentes d’un point de vue physico-chimique.
La méthode la plus aisée à mettre en œuvre est la méthode de Stevens. Elle donne une indication qualitative de l’énergie de surface du solide. La méthode de Zisman donne une valeur d’énergie de surface inférieure à la réalité. Cependant on observe un changement de courbure proche de la valeur « réelle » de l’énergie de surface du talc. Pour la montée capillaire, vu que plusieurs solvants sont utilisés, nous pouvons considérer que ces résultats sont très corrects. Ce sont eux qui seront utilisés par la suite. En fonction de la façon dont sera déterminée la surface spécifique du solide divisé, de grandes disparités apparaitront pour les résultats obtenus par la sorption de vapeur.
Toutes ces analyses s’accordent à qualifier l’eau comme un mauvais mouillant du talc. Le coefficient d’étalement de l’eau sur le talc est de l’ordre de -70 mJ.m-2
, caractéristique d’une absence d’étalement de l’eau sur le talc. Le liquide reste sous forme de goutte entre les particules. Cela va nous permettre d’étudier de façon privilégiée les trois étapes mises en évidence dans la dispersion : l’adhésion, l’immersion et l’étalement.