Dispersion de phyllosilicates et processus de frittage de céramiques silicatées

Les céramiques silicatées, considérées comme étant des matériaux dits de grande diffusion, sont utilisées dans de nombreux domaines d’application tels que les arts de la table (porcelaine, faïence…), le bâtiment (terres cuites, briques, carrelage…) mais aussi dans des secteurs comme l’énergie et le dentaire. Ces céramiques sont élaborées à partir de matières premières minérales mises en forme par divers procédés (extrusion, pressage…) puis traitées thermiquement afin de conférer aux matériaux des propriétés d’usage optimales. A titre d’exemple, les produits de terres cuites sont des céramiques plutôt poreuses (environ 20 %) alors que le taux de porosité de la porcelaine n’excède pas 3 %. La différence de caractéristiques finales est essentiellement due à la combinaison i) de la nature chimique des matières premières minérales de départ, ii) du ou des procédé(s) de mise en forme et iii) du traitement thermique employé.

Les céramiques silicatées sont essentiellement composées de phyllosilicates comme par exemple la kaolinite, constituant principal du kaolin. Lors de l’étape de mise en forme, le rôle du kaolin consiste à améliorer la cohésion du mélange et à lui conférer de la plasticité avant traitement thermique. Le kaolin traité thermiquement au-delà de 1000°C se décompose alors en phases recristallisées comme par exemple la mullite et d’une phase liquide (flux visqueux) assimilée après refroidissement à une phase vitreuse. Ces transformations confèrent aux matériaux des propriétés d’usage appropriées à diverses applications. Durant les cinq dernières années, plusieurs études se sont concentrées sur l’amélioration des propriétés d’usage des céramiques silicatées en modifiant par exemple le procédé de mise en forme ou les matières premières minérales initiales .

Ces travaux de thèse s’inscrivent dans le cadre de cette amélioration grâce à i) l’optimisation de la dispersion des suspensions contenant un kaolin, étape préalable à la mise en forme, ii) l’étude détaillée de l’effet de l’incorporation d’une seconde matière première minérale sur le comportement des mélanges mixtes obtenus, iii) l’optimisation des paramètres du procédé de mise en forme et iv) l’amélioration du cycle de traitement thermique et l’étude de l’influence de deux modes de frittage différents. En effet, malgré la grande diversité des travaux de recherche concernant les céramiques silicatées, la dispersion de suspensions argileuses contenant plusieurs constituants reste peu documentée, les études se concentrant sur des cas théoriques d’argiles supposées pures ou purifiées. Dans une démarche visant éventuellement à préparer des matériaux industriels, comprendre les mécanismes de dispersion de suspensions mixtes présente un intérêt majeur. L’hétérogénéité structurelle entre les phyllosilicates choisis initialement peut permettre d’obtenir des matériaux présentant des propriétés d’usage (mécaniques) fortement améliorées, comme cela a déjà été démontré [3]. Ces travaux visent à obtenir des propriétés mécaniques (contrainte à la rupture) au moins équivalentes à celles de la porcelaine en employant un procédé de mise en forme (coulage en bande) favorisant l’organisation de la microstructure.

L’étape de dispersion en voie aqueuse s’avère donc essentielle compte tenu des teneurs élevées (environ 60 % en masse) en matières premières requises par le procédé. L’ajout d’un dispersant permet d’éliminer ou de désagréger les agglomérats contenus dans la suspension et d’assurer sa stabilité. L’action d’un dispersant favorise ainsi l’obtention de matériaux dont la microstructure est homogène au moins à l’échelle d’une centaine de micromètres. Néanmoins, la dispersion d’une suspension aqueuse à base de phyllosilicates s’avère délicate pour plusieurs raisons. Contrairement aux particules colloïdales sphériques, le comportement des particules argileuses en suspension est difficile à maîtriser en raison de leurs formes irrégulières, de l’hétérogénéité de leurs charges surfaciques ou encore de leurs larges distributions granulométriques. De plus, la nature et la teneur en dispersant doivent être judicieusement choisies de façon à garantir simultanément une viscosité minimale, une réduction de la taille des particules et l’augmentation de la valeur absolue du potentiel zêta.

Dans le but d’élaborer des matériaux mixtes et d’analyser les propriétés d’usage qui en découlent, l’halloysite est la matière première minérale retenue comme élément d’incorporation du kaolin. L’halloysite, très abondante, écologique et peu coûteuse ne diffère de la kaolinite que de par sa forme nanotubulaire, ce qui peut permettre ainsi de mettre en évidence l’effet de la morphologie des matières premières sur les propriétés finales. Cette morphologie spécifique est principalement due à la présence de molécules d’eau entre les feuillets d’halloysite et au défaut d’empilement des plans [4]. Au-delà de 100°C, l’évaporation de ces molécules engendre l’ouverture des tubes. Les transformations thermiques ultérieures sont identiques à celle de la kaolinite puisque la formule chimique des deux argiles est identique. Néanmoins, la question est de savoir si des paramètres tels que la distribution granulométrique ou la surface spécifique élevée de l’halloysite favorisent une meilleure dispersion et le renforcement des céramiques silicatées.

Le rapport de stage ou le pfe est un document d’analyse, de synthèse et d’évaluation de votre apprentissage, c’est pour cela chatpfe.com propose le téléchargement des modèles complet de projet de fin d’étude, rapport de stage, mémoire, pfe, thèse, pour connaître la méthodologie à avoir et savoir comment construire les parties d’un projet de fin d’étude.

Table des matières

Introduction
1 Les argiles
1.1 Généralités
1.2 Types de structure
1.2.1 Motif TO
1.2.2 Motif TOT
1.2.3 Motif TOTO
1.3 Terminologie
1.4 Classification
2 Kaolin et halloysite
2.1 Généralités
2.2 Structure
2.3 Morphologie
2.4 Transformation kaolinite-halloysite
2.5 Applications
3 Transformation de la kaolinite en mullite
3.1 Généralités
3.2 Formation de la mullite
3.3 Structure finale
4 Dispersion
4.1 Forces régnant au sein des suspensions colloïdales
4.2 Interactions attractives : forces de Van der Waals
4.3 Interactions répulsives
4.3.1 Stabilisation électrostatique
4.3.2 Stabilisation stérique
4.3.3 Potentiel d’interaction totale
4.3.4 Stabilisation électrostérique
4.4 Potentiel zêta
5 Rhéologie
5.1 Les différents comportements des fluides
5.1.1 Newtonien
5.1.2 Non Newtonien
5.1.3 Sans contrainte seuil
5.1.3.1 Fluide rhéofluidifiant
5.1.3.2 Fluide rhéoépaississant
5.1.4 Avec contrainte seuil
5.1.4.1 Plasticité
5.1.4.2 Thixotropie
6 Le coulage en bande
6.1 Principes et généralités
6.2 Constituants d’une suspension de coulage
6.2.1 Solvant
6.2.2 Poudre
6.2.3 Dispersant
6.2.4 Liant
6.2.5 Plastifiant
6.3 Propriétés rhéologiques des suspensions de coulage
7 Traitements thermiques
7.1 Frittage
7.1.1 Définition
7.1.2 Frittage en phase liquide
7.1.3 Frittage en phase solide
7.1.4 Frittage par flux visqueux
7.1.4.1 Le modèle de Frenkel
7.1.4.2 Le modèle de Mackenzie-Shuttleworth
7.1.4.3 Modèle de Scherer
7.1.4.4 Le modèle des clusters
7.2 Frittage micro-ondes
7.2.1 Généralités
7.2.2 Ondes électromagnétiques
7.2.3 Générateurs de micro-ondes
7.2.4 Propagation de l’onde
7.2.4.1 Cavités électromagnétiques
7.2.4.2 Interaction onde électromagnétique-matière
7.2.4.3 Polarisation
7.2.4.4 Spécificités
Conclusion