III.2. Matériaux de départ
III.2.1. NP magnétiques de maghémite
La fraction D10 se présente sous forme d’une dispersion aqueuse de NP possédant un pH = 1 à 2, dû à la présence de l’acide nitrique ajouté en cours de synthèse. Cette dispersion est caractérisée par une forte stabilité colloïdale qui, conjuguée à la forte susceptibilité magnétique des nanoparticules, implique un comportement de ferrofluide (pour les photos illustrant ce qu’est un ferrofluide, voir figure 7 du chapitre I). Nous observons toutefois un faible résidu solide au fond du flacon indiquant la présence d’agrégats.
Nous avons déterminé la fraction volumique en NP de maghémite dans la dispersion étudiée par détermination de la concentration équivalente en fer et ce à l’aide de la spectroscopie d’absorption atomique, une technique fiable et précise pour ce type d’analyses.
Comme expliqué dans la partie II.2.3, une dégradation des NP avec de l’acide chlorhydrique concentré à 37% est nécessaire. Elle est suivie d’étapes successives de dilution avec de l’eau distillée.
Après calcul, nous obtenons alors une concentration équivalente en fer de [Fe]=1,25 mol/L dans la fraction D10. A l’aide de l’Équation III.1 nous pouvons remonter à la fraction volumique en nanoparticules Fe2O3
Fe2O3(%)= 100 ∙𝑀𝐹𝑒2𝑂3
2∙𝜌𝐹𝑒2𝑂3 [𝐹𝑒]
Équation III.1
où 𝑀𝐹𝑒2𝑂3 et 𝜌𝐹𝑒2𝑂3 sont respectivement la masse molaire et la masse volumique de la maghémite.
Le rapport 100 ∙𝑀𝐹𝑒2𝑂3
2∙𝜌𝐹𝑒2𝑂3 étant égal à 1,54, le calcul nous donne une fraction volumique de
1,92%, ce qui est une valeur tout à fait habituelle pour les fractions de ferrofluide triées obtenues à partir du procédé Massart.
B. Détermination du diamètre moyen et de la dispersion en taille des NP
par microcopie électronique à transmission (MET)
La taille moyenne des NP correspondant à la fraction D10 et leur polydispersité peuvent être déterminées de différentes manières qui incluent la microscopie électronique à transmission, la diffraction des rayons X, la magnétométrie et la diffusion dynamique de la lumière. Nous avons utilisé la méthode la plus simple basée sur l’utilisation des clichés de microscopie électronique à transmission. La Figure 1 présente une image MET des NP de la fraction D10.
Figure 1 : Image MET de la fraction D10
La Figure 1 nous montre que les NP ont une morphologie relativement irrégulière, bien qu’on puisse les considérer comme approximativement sphériques (faible anisotropie de forme). Nous observons une variabilité dans leur taille, malgré la procédure de tri qui a permis de diminuer leur polydispersité.
Afin d’obtenir une taille moyenne représentative de la fraction D10, nous avons analysé plusieurs images MET à l’aide du logiciel Image J ce qui nous a permis de mesurer le diamètre de Féret d’un grand nombre de NP (environ 250).
Les données ont été traitées de manière à avoir une distribution de taille qui a été par la suite modélisée par une loi log-normale. La Figure 2 nous donne la distribution en taille des NP et la loi log-normale permettant de la modéliser pour la fraction D10.
Figure 2 : Distribution en taille de la fraction D10
(Nexp-normée=données brutes ; P(D) = modélisation)
Les valeurs obtenues pour les deux paramètres régissant la loi log-normale, µ et (respectivement l’espérance et l’écart type du logarithme du diamètre), sont 2,29 et 0,14. Le diamètre moyen des NP obtenu à partir de ces deux grandeurs est de 10,06 nm. Il correspond approximativement au diamètre moyen expérimental déterminé directement à partir du diamètre de Féret des NP qui est de 10,3 nm.
En outre la valeur de σ nous permet aussi de nous renseigner sur la polydispersité des NP. Plus sigma est proche de 0, plus les NP sont monodisperses. Dans notre cas, un σ de 0,14 est preuve de NP assez monodisperses (il est habituellement de l’ordre de 0,4 pour des NP non triées en taille [1])
C. Propriétés magnétiques
Afin d’étudier les propriétés magnétiques des NP de maghémite, nous avons utilisé un magnétomètre à échantillon vibrant. Nous avons donc appliqué sur l’échantillon de la fraction D10 un champ magnétique croissant, et nous avons déterminé le moment magnétique du matériau en présence de ce champ par unité de volume, communément appelé aimantation. La Figure 3 nous présente la courbe d’aimantation obtenue pour la dispersion concentrée de NP. 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 N /N to ta l D Nexp - normée P(D)
Figure 3 : Aimantation globale de la fraction D10
La courbe obtenue, qui montre une forte aimantation dès les faibles champs, une aimantation à saturation, atteinte rapidement et une réversibilité parfaite, est caractéristique du comportement superparamagnétique des NP qui résulte de leur faible taille, de leur faible énergie d’anisotropie magnétique et de leur dispersion dans un milieu peu visqueux.
Nous pouvons extraire de cette courbe, dans un premier temps, deux grandeurs. Le plateau que nous atteignons correspond à l’aimantation à saturation Ms qui est égale ici à 4,5 A.m-1, où tous les moments magnétiques individuels sont orientés en fonction du champ et ne forment plus qu’un seul et même domaine. La pente initiale quant à elle correspond à la susceptibilité magnétique initiale χ de la suspension.
Cette technique de caractérisation nous a également permis d’avoir une idée du diamètre moyen et de la distribution en taille des NP, la courbe obtenue pouvant être modélisée par l’équation de Langevin [2]. Après calcul, nous obtenons un diamètre moyen de 9 nm avec un paramètre de 0,45.
Ces résultats ne se recoupent pas parfaitement avec ceux obtenus par analyse d’image en microscopie électronique à transmission. La valeur légèrement inférieure du diamètre moyen obtenue par magnétométrie pourrait être expliquée par le fait que la surface des NP
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 -2000 0 2000 4000 6000 8000 10000 Ai man ta ti o n g lo b al e m (A. m -1) Champ magnétique (G)
magnétométrie vibrante est précise quand il s’agit de petites NP ne dépassant pas les 8 nm. A partir de 10 nm, l’équation de Langevin ne s’applique plus vraiment (les NP ayant tendance à former de petits agrégats) et les résultats obtenus ne sont pas parfaitement représentatifs de la suspension étudiée. C’est pour cela que pour la suite, nous utiliserons la taille obtenue grâce à l’analyse d’image MET.
D. Diffraction des rayons X (DRX)
Grâce à la DRX, nous avons pu confirmer que les échantillons synthétisés sont bien des NP magnétique de maghémite, γ-Fe2O3. La Figure 4 nous présente le diffractogramme de poudre obtenu pour les NP de la fraction D10 après séchage.
Figure 4 : Diffractogramme de Rayon X obtenu pour les NP de la fraction D10
Le diffractogramme de poudre présente des pics qui peuvent être reliés aux distances caractéristiques de la structure cristalline des NP grâce à la loi de Bragg. Les NP de maghémite possèdent une structure cristalline spinelle inverse (groupe d’espace P4132). Les pics principaux du diffractogramme correspondent aux distances d220, d311, d400, d511 et d440
(respectivement à 2.96, 2.50, 2.08, 1.60, et 1.46 Å). Nous ne pouvons exclure toutefois la possibilité que malgré l’étape d’oxydation, les NP soient constituées au moins partiellement de magnétite (Fe3O4) à la place de la maghémite. En soi, les diffractogrammes de ces deux types de NP sont identiques, les deux types de matériaux possédant une structure spinelle inverse. Dans certains cas, la maghémite présente deux pics supplémentaires à 23,77° (210) et 26,10° (211). Mais il est important de noter que l’intensité de ces pics est très faible en
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0 20 40 60 80 100 In te n si té (cp s) 2θ (°) - Cu Kα
comparaison des autres pics et il est donc très difficile de les observer sur le diffractogramme. En outre, des auteurs affirment que les NP de maghémite présentant un certain désordre structural, leur groupe d’espace est parfaitement identique à celui de la magnétite (groupe Fd3m) et que dans ce cas les deux diffractogrammes sont parfaitement identiques [3].
E. Etat de la surface et stabilité colloïdale des NP de maghémite en
fonction du pH
Les NP de maghémite possèdent habituellement une stabilité colloïdale dans deux zones de pH : à pH acide et basique. Cette stabilité colloïdale est liée à l’état de leur surface, chargée positivement en milieu acide et négativement en milieu basique. Ces propriétés peuvent toutefois légèrement varier d’un échantillon à l’autre. Or, une bonne connaissance de la stabilité colloïdale et de l’état de surface des NP est fondamentale pour étudier leur floculation avec les plaquettes d’argile. Nous avons donc étudié comment variaient la stabilité colloïdale et la charge de surface des NP de la fraction D10 en fonction du pH, à l’aide de deux outils, la diffusion dynamique de la lumière (DLS) et la zétamétrie.
La mesure du diamètre DLS permet de repérer la formation d’agrégats, tandis que le potentiel ζ est relié à la charge de surface des NP. Mais pour que ces techniques fonctionnent, la suspension de NP ne doit pas être trop concentrée (il faut éviter qu’elle soit trop opaque), et c’est pour cela que nous avons choisi de la diluer dans de l’acide nitrique à pH=2. A cette solution diluée, nous avons ajouté progressivement une base forte, le TMAOH (Hydroxyde de tétraméthylammonium) jusqu’à atteindre un pH d’environ 12. L’utilisation de cette base nous permet notamment d’observer les étapes de floculation en milieu neutre et de défloculation en milieu basique. L’hydroxyde de sodium ne peut pas être utilisé ici car les ions Na+ sont des agents floculants et risquent de faire floculer la suspension dès les premiers ajouts.
Nous avons observé ainsi au fur et à mesure de l’ajout de la base, l’évolution du potentiel ζ ainsi que du diamètre DLS des NP. La Figure 5 nous donne les résultats de cette étude.
Figure 5 : Evolution du potentiel ζ et du diamètre DLS des NP de la fraction D10 en fonction du pH
Comme nous pouvons le voir, à pH acide, les NP présentent un potentiel ζ positif qui se situe autour de 30 mV ce qui n’est pas loin de la valeur que nous trouvons dans la littérature qui est d’environ 25 mV [4]. Cette valeur prouve la présence d’une charge positive à la surface des NP.
Dans ce cas, la charge de surface est suffisante pour que les forces de répulsion électrostatique prédominent et confèrent une stabilité colloïdale à la suspension. Nous obtenons donc pour les NP, un diamètre DLS assez faible, de l’ordre de 25 nm. Toutefois, la valeur relativement élevée de ce diamètre DLS par rapport au diamètre mesuré par MET pourrait être liée à la présence de petits agrégats de NP dans la fraction D10.
Au fur et à mesure que le pH augmente, les charges positives sont neutralisées et le potentiel ζ diminue jusqu’à atteindre une valeur nulle et ce pour un pH compris entre 6,5 et 8,5 (le point isoélectrique de la surface de la maghémite est habituellement à pH 7 [5]) . Parallèlement, les répulsions électrostatiques diminuent entraînant l’agrégation des NP. Cette agrégation est visible sur cette même figure, où nous voyons clairement que l’augmentation du pH au-delà de 3,5 entraîne une très forte augmentation du diamètre DLS des NP. A partir d’un pH d’environ 8,5, toutes les charges positives ont été neutralisées et de nouvelles charges, ici négatives, apparaissent à la surface des NP, comme le montre clairement l’évolution du potentiel ζ qui, à pH basique, est négatif. La solution retrouve alors une certaine stabilité colloïdale du fait de la réapparition des forces de répulsion
-60 -40 -20 0 20 40 60 0 500 1000 1500 2000 0 5 10 15 P ot e n ti e l ζ (m V) Di amè tre (n m) pH Diamètre (nm) Potentiel ζ (mV)
électrostatique, comme le montre la diminution du diamètre DLS. Cette dernière étape de défloculation est toutefois beaucoup plus compliquée à observer ; les diamètres DLS atteints lors de l’ajout progressif de la base restant très élevés (autour de 500 nm). En revanche, si nous passons d’une seule traite d’un pH 2 à un pH 12, et qu’on mesure le diamètre DLS avant et après ajout de la base, nous avons alors des tailles très proches, les NP n’ayant pas le temps de s’agréger entre elles aux pH intermédiaires.
En conclusion, le comportement colloïdal et l’état de surface des NP de la fraction D10 en fonction du pH est classique, avec en particulier une zone de pH comprises entre 2 et 6,5 où elles sont chargées positivement, ce qui permet une stabilité colloïdale entre pH 2 et 3,5 (malgré la présence d’agrégats).
III.2.2. Beidellite
A. Généralités
La fraction T500 se présente sous forme d’une suspension aqueuse de plaquettes d’argile de pH proche de la neutralité (pH = 6,2), de faible force ionique. Cette suspension est caractérisée par une stabilité colloïdale assez élevée, la décantation des plaquettes d’argile commençant n’à être visible qu’au bout de 15 jours environ.
La concentration massique en plaquettes d’argile dans la suspension - déterminée à l’aide d’une simple pesée, suite à l’évaporation de l’eau pendant une nuit à l’étuve à 70°C – est de 15,1 g/L. Par ailleurs, nous avons déterminé la formule brute approchée des plaquettes d’argile grâce à l’analyse EDX, couplée à la microscopie électronique à balayage (MEB) effectuée sur la suspension séchée (les images MEB n’ayant que peu d’intérêt nous avons fait le choix de ne pas les présenter). A partir des pourcentages atomiques des différents éléments donnés par l’EDX nous avons obtenu la formule suivante :
[Si7,33Al0,67][Al3,87Fe0,13]O20(OH)4Na0,67 avec des traces de Mg Équation III.2
Ce résultat n’est pas très éloigné des données de la littérature qui retrouve comme formule [Si7,27Al0,73][Al3,77Fe0,11]O20(OH)4Na0,67 [6].
tétraédriques de silicate sont neutralisées par ce cation peu floculant qui va donc permettre en phase aqueuse une exfoliation quasi-complète des plaquettes d’argile. L’analyse EDX confirme également la faible quantité de fer dans l’argile ce qui va permettre d’utiliser l’analyse chimique du fer afin de doser spécifiquement les NP restant dans le surnageant après floculation des mélanges argile/NP.
La charge de surface élevée des plaquettes d’argile pourrait être également confirmée par la détermination de la capacité d’échange cationique. Cette technique basée sur l’échange des cations interfoliaires (Na+…) à l’aide d’un complexe cation coloré, l’ion hexaaminecobalt, permet de déterminer la densité de charge négative. Dans le cas des argiles beidellitiques purifiées et triées par les méthodes décrites au chapitre II, cette charge négative est habituellement comprise entre -0,1 et -0,25 C.m-2 [7].
B. Détermination de la taille et de la morphologie des plaquettes par
microcopie électronique à transmission (MET)
La Figure 6 nous montre une image MET de la fraction T500 des argiles.
Figure 6 : Image MET de plaquettes d’argile de la fraction T500
L’image MET montre clairement la morphologie hexagonale des plaquettes d’argile. Les particules conservent également une certaine polydispersité en dépit de la procédure de tri utilisée.
Afin d’établir la taille moyenne représentative de la fraction T500, nous avons analysé plusieurs images MET, à l’aide du logiciel Image J qui nous a permis de mesurer le diamètre de Féret d’un grand nombre de plaquettes (environ 100).
Les données ont été traitées de manière à avoir une distribution de taille. La Figure 7 nous donne la distribution en taille des plaquettes d’argile.
Figure 7 : Distribution en taille de la fraction T500 Cette distribution en taille n’a pas pu être modélisée par une loi log normale.
Cependant, après calculs, nous trouvons comme nous le pensions une taille moyenne de 486 nm. Pour plus de facilité et pour le reste de la thèse, nous arrondissons cette taille à 500nm.
C. Diffraction des rayons X
Dans ce cas précis, la DRX nous permet d’avoir une idée assez précise de la nature et de la pureté de notre argile. Le diffractogramme de poudre obtenu pour la fraction T500 après séchage est présenté ci-dessous.
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 N/Nt ot al D (nm) Nexp - normée
Figure 8 : Diffractogramme de l’argile beidellitique correspondant à la fraction T500 Le pic le plus intéressant ici est celui de plus forte intensité qui se trouve à 7,02°. En appliquant la loi de Bragg, nous avons une distance de 12,5 Å, ce qui correspond à la distance inter lamellaire d001 des plaquettes d’argiles [8].
On retrouve également les pics à 14,8°, 19,9° et 61° correspondant respectivement à des distances d002 à 6,0 Å, d003 à 4,2 Å et d060 à 1,5 Å. Cette dernière distance est caractéristique des argiles de type TOT di-octaédrique comme c’est le cas ici avec la Beidellite.
Il est également possible de détecter des pics qui correspondent à d’autres types d’argiles. Dans notre cas, nous avons un pic à 12,4°, qui correspond à la Kaolinite et deux pics à 28,5° et 44,3° qui correspondent au quartz [8].
Il sera intéressant d’observer par la suite le devenir de la distance interlamellaire d001 de 12,5Å lorsqu’on ajoute les NP. Cet élément pourra nous informer sur la structure des flocs à l’état sec.
D. Stabilité colloïdale et état de la surface des plaquettes d’argile en
fonction du pH
De la même manière que pour les NP magnétiques de maghémite, l’état de la surface et la stabilité colloïdale des plaquettes d’argile ont été évalués sur toute une gamme de pH à l’aide de la DLS et de la zétamétrie.
Nous avons choisi de travailler sur une solution d’argile à une concentration de 1,5 g/L. Cette solution a un pH d’environ 6,5. Afin d’avoir une idée du comportement des plaquettes sur
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 0 20 40 60 80 In te n si té 2θ (°) - Cu Kα
toute la gamme de pH, nous avons choisi d’utiliser pour obtenir des pH basiques la même base que pour les NP magnétiques : le Tétraméthylammonium hydroxyde (TMAOH).
En ce qui concerne le passage aux pH acides, nous avons choisi d’utiliser une solution d’acide chlorhydrique de concentration 0,1 mol/L. La Figure 9 nous donne l’évolution du diamètre DLS et du potentiel ζ en fonction du pH pour la suspension d’argile correspondant à la fraction T500.
Figure 9 : Evolution du diamètre et du potentiel ζ de la Beidellite (fraction T500) en fonction du pH
Les plaquettes de Beidellite possèdent des charges négatives à leur surface et ce, sur toute la gamme de pH comme le montre la mesure du potentiel ζ qui se situe autour de -40 mV quel que soit le pH.
En ce qui concerne l’évolution de la taille des plaquettes en fonction du pH, cela est plus compliqué à expliquer. En effet les fortes variations du diamètre DLS pourraient tout simplement être expliquées par la faible précision de la méthode de mesure pour déterminer la taille de particules avec des diamètres supérieurs à 100 nm [9]. Autour de la neutralité et à pH faiblement basique, la taille DLS des particules d’argile est comprise entre 800 et 1000 nm. Cette valeur relativement élevée par rapport à la taille mesurée par MET peut s’expliquer par le manque d’adaptation des modèles mathématiques utilisés pour traiter les données de DLS (cf. chapitre II), qui sont habituellement valables pour des objets
-60 -50 -40 -30 -20 -10 0 0 200 400 600 800 1000 1200 0 5 10 15 P ot e n ti e l ζ (m V) Di am ètre DL S (nm) pH Diamètre (nm) Potentiel ξ (mV)ζ
relative de la taille des plaquettes à pH acide et à pH très basique. Dans le cas du pH basique, nous pouvons penser que cela est lié à une dissolution partielle des plaquettes. La ré-augmentation de la taille DLS des particules, à pH très acide, pourrait être expliquée quant à elle par la floculation partielle des particules liée à l’échange entre les ions Na+ et les H+
ajoutés.
En conclusion, le comportement colloïdal et l’état de surface des plaquettes de la fraction T500 est à peu près constant dans une vaste zone de pH. Elles conservent une charge de surface négative à des valeurs de pH comprises entre 2 et 12, ce qui s’explique par le fait que la charge est liée à la structure des feuillets tétraédriques de l’argile et non aux pKa de groupements de surface. La présence de cette charge de surface négative a pour conséquence une bonne stabilité colloïdale dans une large zone de pH comprise, au moins, entre 2,5 et 10,5. Cette stabilité semble toutefois perdue à pH très acide ou à pH très basique en raison de phénomènes de dissolution partielle des plaquettes et/ou de floculation.