Propriétés des kaolins industriels

Les utilisations du kaolin sont régies par plusieurs facteurs comprenant la composition minéralogique et les propriétés physiques et chimiques de l'ensemble, celles-ci étant déterminées par les conditions géologiques dans lesquelles le kaolin a été formé,

Les caractéristiques importantes concernant les applications des minéraux argileux sont les suivantes :

La nature et les dimensions des particules, leurs formes, la cristallinité, la chimie globale et celle de la surface des cristaux, la surface spécifique, la charge de la surface et de la bordure. et d'autres propriétés qui en découlent, spécifiques aux applications particulières, telles que la viscosité, la plasticité, la résistance mécanique en vert, la résistance mécanique d’échantillon sec et cuit, l'absorption et l'adsorption, l'abrasivité et le pH.

II.3.1. Couleur

Le kaolin a habituellement une couleur blanche ou proche du blanc. Cependant la plupart du temps, le kaolin est associé à une quantité mineure de minéraux auxiliaires contenant des éléments de transition tels que le fer et le titane dans des oxydes, hydroxydes, oxy-hydroxydes, sulfures et carbonates, on parle alors de fer libre (Lima de Sousa 2005, Delineau 1994). Le fer peut être présent dans le réseau de la kaolinite, on parle alors de fer structural.

La couleur donnée au kaolin blanc par le couple fer-titane compromet son application dans des industries de la peinture et du papier. Une connaissance de l’état du fer et du titane est très importante pour choisir la méthode de traitement (Chandrasekhar et al. 2006).

Le broyage peut changer les propriétés optiques du kaolin (Breen et al. 2007, Reynolds et Bish 2002, Kalmeneau et al. 1999, Kristof et al. 1993).

II.3.2. Forme et taille

Les cristaux de kaolinite sont plats en forme de minces feuillets de ~2µ d’épaisseur et quelques microns de diamètre, pseudo-hexagonaux, quelques fois en forme de livres ou de piliers vermiculés. Différentes mesures peuvent être utilisées. Le paramètre utilisé pour quantifier la morphologie d'un kaolin a varié au fil du temps (Wilson I. 2006) : en 1980 il s’agissait de l’épaisseur des cristaux, mais dès 1990 l’aspect ratio (rapport du diamètre à l’épaisseur) est devenu plus important.

La distribution granulométrique des particules joue un rôle important sur la viscosité des kaolins en suspension (figure II.3). Aujourd’hui, le rapport de d75/d25 est utilisé comme caractère industriel de la morphologie des kaolins traités

Haute viscosité _{Faible viscosité}

II.3.3. Capacité d’échange cationique

La capacité d’échange de cation (CEC) est définie par le nombre de charges échangeables par une masse donnée d’argile. Elle s’exprime en milléquivalent par 100 g d’argile. Cette caractéristique est fonction de la nature de l’argile (type d’argile), de ses caractéristiques cristallographiques, de ses cations et du pH du milieu. Pour une kaolinite idéale la valeur de la CEC à un pH donné va dépendre uniquement du degré de dissociation des différents sites amphotères situés sur les faces latérales (Casse et al. 1986).

Cette propriété est importante dans le comportement rhéologique des suspensions. Le Tableau II.3 permet de comparer la CEC de quelques argiles. La comparaison entre montmorillonite et kaolin montre l’importance de la présence d'argiles montmorillonitiques, même en faible quantité, sur les propriétés de surface des charges en la suspension et en conséquence, son comportement rhéologique.

Tableau II.3 Capacité d’échange de cation du kaolin, de ball clay et de la montmorillonite

Argile kaolin ball clay montmorillonite

CEC meq/100 gr 3-6 15-40 70-150

II.3.4. Cristallinité

Le niveau d'organisation structurale de la kaolinite est un paramètre utile dans l'industrie du kaolin. Diverses relations ont été employées pour déterminer des «indices de cristallinité », à partir des diagrammes de diffraction X, de courbes d'analyses thermiques différentielles ou de spectres infrarouges. Les indices calculés par diffraction de rayon X (figure II.4) sont les plus couramment employés (Galan et al. 1994). Apparicio et Galan (1999) ont étudié l’influence des minéraux associés à la kaolinite sur la mesure de l’indice de la cristallinité.

La détermination des défauts de la structure et la cristallinité de la kaolinite a fait l’objet de nombreuses recherches depuis 1946, les références peuvent être trouvées dans Plançon et Zacharie 1990,

Galan et al. 1994),

Une relation significative est connue entre la cristallinité de la kaolinite et sa teneur en fer (Mestdagh et al. 1980, Yvon et al 1980). Delineau (1994) a étudié l’état du fer dans les kaolins des Charentes, il a mis en évidence la présence d’une partie du fer dans la structure de la kaolinite, ce qui augmente les défauts de la structure de la kaolinite.

Les relations entre les propriétés cristallographiques et les propriétés morphologiques de la kaolinite ont été étudiées par Cases et al. (1986) et Aparicio et al. (2004). Ils montrent que la cristallinité diminue lorsque augmente la surface spécifique et l’importance des superficies latérales.

II.3.5. Propriétés thermiques

La kaolinite est un minéral réfractaire (température de liquidus d'environ 1800°C), mais en association avec des minéraux comme les micas, les feldspaths ou les carbonates, la température d'apparition d'une phase liquide lors du frittage se trouve abaissée (Holm 2001).

On peut noter quatre réactions lorsqu’on chauffe une argile kaolinique. Les deux premières sont endothermiques, et les deux dernières sont exothermiques (figure II.5).

figure II.5 Schéma des transformations des trois composants principaux des argiles kaoliniques

L’eau absorbée est éliminée vers 100 °C. A 600°, la kaolinite perd son eau de cristallisation pour donner la métakaolinite. A 980° C environ on a la transformation de la métakaolinite en mullite + Al2O3.

Muscovite K2O.3Al2O3.6SiO2.H2O Kaolinite Al2O3.2SiO2.H2O Quartz SiO2 100° C, Déshydratation 550° C, Perte d’OH 980° C, Transformation Kaolinite Al2O3.2SiO2.H2O Méta-kaolinite 2Al2O3.4SiO2 ? 2Al2O3.3SiO2 + SiO2 1100-1200° C, Transformation Mullite 3Al2O3.2SiO2 + SiO2 Mullite+verre silicaté potassique 573° C, Changement α - β 1200° C Quartz β SiO2 Cristobalite SiO2

Mullite+verre silicaté potassique +cristobalite 1200° C

Cristobalite SiO2

Finalement vers 1200° C on peut observer la transformation rapide de la silice en cristobalite et la réaction entre Al2O3 et SiO2. Le produit de cette réaction est encore la mullite.

La figure II.5 montre schématiquement les transformations des trois composants principaux des argiles (Aliprandi G. 1979).

II.3.6. Dureté

La kaolinite est tendre avec une dureté entre 1 et 2 (de ~1.5) sur l'échelle de Mohs ce qui signifie que les kaolins relativement purs ne sont pas abrasifs. Cette propriété est très importante dans beaucoup d'applications industrielles. Puisque le kaolin est plus tendre que presque tous les matériaux avec lesquels il entre en contact, l'usure et l'abrasion de l'équipement sont minimal (Murray 1999). La présence de quartz résiduel dans un kaolin industriel modifie bien évidemment ce paramètre.