L’influence d’un traitement thermique sur le produit synthétisé à 300°C pendant 24 heures pour un rapport solide/liquide de 10 (300 mg pour 30 cc d’eau dans le réacteur) sera étudiée dans cette partie.
Il s’agit de la dernière étape du protocole de synthèse : un traitement thermique à 550°C pendant 5 heures de ce produit. La température et la durée de ce traitement thermique ont été établies à l’aide de plusieurs séries d’expériences et sont les conditions optimales (énergie nécessaire minimale) pour obtenir un produit dont les caractéristiques se rapprochent de plus en plus de celles du talc. Afin de mettre en évidence toutes les modifications de caractérisation par les différentes méthodes d’analyse, le recuit est comparé à son produit d’origine, que nous appellerons produit d’origine.
1 – Analyses en diffraction des rayons X
Les analyses en diffraction des rayons X (figure 25) montrent une réelle évolution des raies de diffraction du produit d’origine après le traitement thermique. La première différence est dans les intensités des raies de diffraction des plans (001) et (003). Ces raies, pointées respectivement à 9.64 et 3.17 pour le produit d’origine, sont plus intenses et ont une largeur à mi-hauteur qui diminue après le traitement thermique. Le recuit ainsi obtenu voit ces deux raies de diffraction des plans (001) et (003) pointées respectivement à 9.50 et 3.13 . L’augmentation de l’intensité et la diminution de la largeur à mi-hauteur de ces deux raies traduisent une augmentation de la cristallinité selon l’axe z. C’est selon cet axe que réside la différence entre le produit d’origine et le recuit :
- un empilement plus ordonné des feuillets qui se traduit par un pic plus intense, plus fin et moins asymétrique.
- Une distance réticulaire du plan (001) plus faible : elle passe de 9.64 à 9.50 . L’affinement de la raie de diffraction (001), l’augmentation de son intensité et l’augmentation de sa symétrie du recuit par rapport au produit d’origine nous montre que le traitement thermique entraine une diminution de l’état d’hydratation du recuit et une augmentation de sa cristallinité. L’apparition de la raie de diffraction (002) pointée à 4.67 (raie de diffraction du plan (002)) indique que le traitement thermique permet d’obtenir un minéral dont les caractéristiques se rapprochent de celle d’un talc. C’est ce qui est observé lorsque l’on compare le diffractogramme du talc naturel et du recuit. Les intensités et les largeurs à mi-hauteur entre ces deux
0 10 20 30 40 50 60
Angle (°2Théta)
CuK 1
Figure 25 : diffractogrammes de rayons X du produit d’origine, de son recuit et d’un talc naturel
Ce recuit, obtenu après traitement thermique du produit d’origine obtenu par traitement hydrothermal, présente donc toutes les raies de diffraction caractéristiques d’un talc naturel avec un décalage pour la raie de diffraction du plan (001) à 9.50 au lieu de 9.35 pour un talc naturel, décalage lié a la taille des particules.
2 – Analyses en proche infrarouge
Les analyses en proche infrarouge (figure 26) montrent une réelle évolution de la bande de vibration de la région 2 OH. La bande de vibration à 7185 cm-1, caractéristique de Mg3-OH,
pour le talc synthétique a une largeur à mi-hauteur plus petite et une intensité plus grande que l’interstratifié talc/stévensite. L’épaulement à 7205 cm-1, qui serait caractéristique de la composante présentant une cristallinité inférieure à celle de la composante talc (stévensite + gel d’origine résiduel) de l’échantillon, est plus prononcé pour le produit d’origine. Une fois de plus, l’allure générale du spectre dans cette région d’analyse se rapproche et devient comparable à celle d’un talc naturel. La bande de vibration à 7153 cm-1 est due à la présence de fer dans le talc naturel. 9.64 – 9.50 4.55 3.17 – 3.14 NaCl 1.52 NaCl Produit d’origine Recuit NaCl 4.62 3.14 9.35 Talc naturel
Figure 26 : spectres en proche infrarouge du produit d’origine, de son recuit et d’un talc naturel
Les décompositions de ces trois spectres (figure 27) révèlent cette différence. Le traitement thermique à 550°C pendant 5 heures entraine la quasi-disparition de la bande de vibration à 7205 cm-1 dans le spectre du recuit et affine la bande de vibration à 7185 cm-1. La composante à 7205 cm-1 a pratiquement disparu au profit de la composante 2 Mg3-OH. La bande de vibration à 7265
cm-1, que nous ne pouvions identifiée, a totalement disparu dans le spectre du recuit. Cette bande de vibration peut donc être attribuée à une sorte d’eau plus ou moins liée à l’échantillon. De plus, cette bande de vibration n’est pas présente dans le spectre du talc naturel. Si nous comparons les décompositions du talc naturel et du recuit, ces deux produits sont pratiquement similaires. La seule différence est la présence de la bande de vibration à 7205 cm-1 pour le recuit, qui nous montre que nous ne sommes pas totalement arrivés à éliminer la composante mal cristallisée du produit. Cependant, le recuit se rapproche fortement d’un talc.
Recuit Produit d’origine Talc naturel 7153 7185 7205 7265
Figure 27 : décompositions des spectres en proche infrarouge du produit d’origine, de son recuit et d’un talc naturel
3 – Analyses thermogravimétriques
L’analyse thermogravimétrique du recuit (figure 28) présente deux pertes de poids majeures : l’une à 128°C correspondant au départ de l’eau et l’autre à 776°C, température de déshydroxylation. Cette température de déshydroxylation est inférieure à celle classiquement rencontrée pour un talc naturel qui est de 942°C (figure 28). Comparées à celles de son produit d’origine, la température de déshydroxylation du recuit est identique et sa perte de poids totale légèrement inférieure (11.3% au lieu de 13.7%). La seule évolution notable apportée par le traitement thermique se trouve dans la perte de poids à la déshydroxylation du produit. La perte de poids théorique à la température de déshydroxylation d’un talc naturel est de 4.75%.
Produit d’origine Recuit Talc naturel 7185 7205 7265
En recalculant ces pertes de poids pour nos deux produits, nous obtenons : - 4.2% pour le produit d’origine.
- 5.6% pour son recuit.
Nous pouvons donc dire que le traitement thermique à 550°C pendant 5 heures permet une évolution du taux de cristallinité de l’échantillon d’origine vers un taux de cristallinité comparable à celui du talc.
La perte de poids due au départ de l’eau de l’échantillon est pointée à 128°C et reste importante pour le recuit, et ce même après un traitement thermique à 550°C pendant 5 heures par rapport à celle d’un talc naturel. Ceci pourrait traduire une forte tendance du recuit à recapter l’eau ambiante sur ses bordures, qui présentent une surface bien plus importante que la surface des bordures d’un talc naturel du fait de sa taille nanométrique. Nous avons d’ailleurs pu mettre ceci en évidence en remarquant que le recuit est un produit hydrophile (mouille facilement dans l’eau) contrairement au talc naturel.
Produit d’origine Recuit
4 – Observations au Microscope Electronique à Transmission
Le Microscope Electronique à Transmission a permis d’observer les particules de talc synthétique à l’échelle nanométrique. Les particules sont fortement lamellaires et présentent une taille comprise entre 20 et 100 nm (figure 29 et 30), ce qui n’existe pas à l’état naturel. L’observation sur la tranche des particules met en évidence leur très faible épaisseur : 6 à 10 nm (figure 31).
Figure 29 : observation au Microscope Electronique à transmission de la surface de particules du recuit.
Figure 30 : observation au Microscope Electronique à transmission de la morphologie des particules du recuit.
Figure 31 : observation au Microscope Electronique à transmission de la tranche de particules du recuit
5 – Discussion
Ces analyses sur le traitement thermique du produit obtenu à 300°C pendant 18 heures pour un rapport solide/liquide de 10 nous montrent que le recuit présente des caractéristiques se rapprochant fortement de celles d’un talc naturel. Nous avons obtenu un produit que l’on peut appeler talc synthétique nanométrique. Le traitement thermique à 550°C pendant 5 heures, dernière étape du protocole de synthèse établi, apporte l’énergie nécessaire pour, d’une part, diminuer le taux d’hydratation de l’échantillon d’origine. D’autre part, cette énergie permet de rendre quasi-équivalente la cristallinité du recuit à celle d’un talc naturel. La différence avec un talc naturel réside dans la forte perte d’eau de ce recuit à 128°C détectée en analyse thermogravimétrique. Cette différence est probablement liée à la taille des particules du produit synthétique : une taille nanométrique, présentant donc une surface de bordure plus étendue que celle d’un talc naturel (taille micrométrique) et donc plus propice à capter de l’eau.