Synthèse par évaporation du solvant

La méthode la plus simple de préparation d'une poudre à partir d'une solution est son évaporation pour obtenir un solide pulvérulent. Le procédé implique donc le chauffage, par exemple, d'une solution de sel soluble contenant un ou plusieurs composants dans un récipient jusqu'à ce que l'évaporation complète des molécules du solvant (par exemple de l'eau) se produise et un matériau solide se forme. La difficulté de contrôle du processus de formation de la poudre fait que les produits obtenus se présentent sous forme de petites particules fortement agglomérées ou un assemblage de particules grossières. L'idée de base pour surmonter ce problème étant de permettre la formation rapide de nombreux points de nucléation et une

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croissance lente permettant d'obtenir de fines particules ce qui suppose l’agitation très rapide de la solution, lors du chauffage. Un autre point, également important, concerne la prévention d’une éventuelle ségrégation des différents composants de la solution, sous chauffage, jusqu’au stade de sursaturation. Le produit séché est, ensuite, calciné à une température appropriée (500 °C ou plus) pour obtenir des poudres d'oxydes [Gang 97].

II.2.3.1 Séchage par pulvérisation « spray drying »

Lors du séchage par pulvérisation, une solution est décomposée en fines gouttelettes par un atomiseur à fluide et pulvérisée dans une chambre de séchage, comme indiqué schématiquement sur la figure II.8. L’humidité s’évapore aux contacts entre le spray et le milieu de séchage qui est généralement de l’air chaud. Les produits obtenus sont des particules sèches des sels métalliques, qui sont transportés par le flux d'air pour quitter la chambre et sont ensuite collectés à l'aide de collecteurs de sacs ou de cyclones [Barr 13].

Figure II.8 : Schémas des atomiseurs : a) un atomiseur centrifuge à flux d’air simultané, b) un atomiseur à buse utilisant des conditions d’écoulement mixte [Barr 13].

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Kanerva et al. [Kane 15] ont utilisé l’hydroxyde de magnésium (Mg(OH)2) et l’oxyde

de magnésium (MgO) en tant que précurseur du Mg et l’hydroxyde d’oxyde d’aluminium Al(O)OH et l’alumine α-Al2O3 en tant que précurseur d’Al. Après la synthèse, les granulés ont

été traités à 1000, 1100, 1200, 1300 et 1400 °C. Ces auteurs ont réussi à synthétiser une poudre de spinelle avec des grains sphériques qui ont une distribution granulométrique comprise entre 4 et 24µm.

Par la même méthode, Montouillout et al. [Mont 99] ont pu synthétiser le spinelle en partant des nitrates de magnésium et d’aluminium, moyennant de l'air comprimé préchauffé à 200 °C. La poudre a d'abord été calcinée à 300 °C puis soumise à un traitement thermique à différentes températures, pour avoir le spinelle.

II.2.3.2 Pulvérisation pyrolytique « spray pyrolysis »

Cette technique, appelée pyrolyse par pulvérisation, utilise une température plus élevée et un environnement réactif (souvent oxydant) dans la chambre. Cela permet aux sels d'être séchés et décomposés directement. Les étapes du processus de pyrolyse par pulvérisation sont montrées dans la figure II.9. Cette technique a été largement utilisée pour produire des films minces et des fibres [Kong 15].

Figure II.9 : Schéma des étapes du processus de pyrolyse par pulvérisation [Mess 93].

Une étude a été menée par Bickmore et al. [Bick 96] pour synthétiser le spinelle par pulvérisation pyrolytique. Ils ont utilisé des solutions alcooliques d'un précurseur d'alcoxyde double. Les particules produites (figure II.10) se présentent sous forme de monocristaux sphériques, denses, de diamètre comprise entre 10 à 100 nm et d'une surface spécifique allant de 40 à 60 m2_g-1_{. Des vitesses de production de poudre de 50 à 100 g/h sont obtenues à l'aide}

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des ligands organiques suivie d'une nucléation et d'une croissance à partir d'oxydes dans la phase vapeur.

Figure II.10 : Observation MEB de la poudre de spinelle synthétisé par pulvérisation pyrolytique [Bick 96].

D’après l’étude de Golden et al. [Gold 08], la poudre de spinelle MgAl2O4 préparée par

pulvérisation pyrolytique présente une excellente aptitude au frittage, permettant d'atteindre des niveaux de densification très élevés. La morphologie de la poudre est montrée dans la figure II.11.

Figure II.11 : Observation MET de la poudre de spinelle préparée par pulvérisation pyrolytique à la flamme [Gold 08].

II.2.3.3 Synthèse par lyophilisation

Contrairement aux autres méthodes décrites précédemment qui utilisent la chaleur comme agent, la lyophilisation est complètement différente. Le principe de cette méthode est le suivant :

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1- Introduction d'une solution atomisée (généralement par pulvérisation) dans une chambre maintenue en dessous du point de congélation du solvant.

2- Congélation du solvant afin de forcer le soluté à précipiter.

3- Sublimation du solvant congelé sous vide.

Des agglomérats sphériques de fines particules primaires peuvent être produits, avec une taille d'agglomérat identique à celle des gouttelettes congelées. La taille des particules primaires, comprise entre 10 et 500 nm, est déterminée par les paramètres de traitement, notamment le taux de congélation, la concentration du sel métallique dans la solution et la composition chimique du sel. Après le processus de séchage, la poudre de sel est chauffée à haute température pour obtenir des oxydes [Gang 97].

Dans le travail de Wang et al. [Wang 92], une poudre de spinelle a été synthétisée en utilisant des précurseurs d’alcoxydes via un procédé de lyophilisation. La morphologie de la poudre formée par cette voie est montrée dans la figure II.12. Dans une autre étude [Naka 83] Z. Nakagawa et al. ont utilisé des sulfates métalliques comme matières de départ pour préparer la poudre de spinelle.

Figure II.12 : Observation TEM de la poudre de spinelle synthétisée par lyophilisation et calcinée à 1100 ° C pendant 20h. (Barre =1000 Å) [Wang 92].

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