Criticism of CSV

La Laponite est une argile synthétique qui est utilisée comme additif pour ses propriétés d’adsorption et de modification de rhéologie des matériaux dans plusieurs domaines d’application (revêtements de surface, nettoyage). C’est un produit thixotrope, rhéofluidifiant et à seuil.

La Laponite est une argile de type hectorite appartenant à la famille des smectites avec une structure similaire à la montmorillonite, le principal constituant de la bentonite [53]. La

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structure cristallographique de la Laponite est de type TOT (tétraèdre, octaèdre, tétraèdre). Les couches tétraédriques sont agencées en mailles et sont constituées de tétraèdres d'oxygène entourant un atome de silicium. Les couches octaédriques sont composées d'octaèdres formés par deux plans d'oxygènes-hydroxyles encadrant les atomes de magnésium ou de lithium [54] (fig. 2.1).

Figure 2. 1 : Structure de la Laponite [52]

Dans l’eau les particules de Laponite sont à l’état dispersé : les surfaces sont chargées négativement, les bords sont chargés positivement. Lorsque la suspension est diluée, les particules se repoussent à cause des charges négatives des surfaces et la suspension reste liquide. Ensuite, l’agrégation qui suit la dissociation va dépendre de la concentration et de la force ionique. L’ajout d’ions dans la suspension par ajout de sel ou par augmentation de la quantité de Laponite amène à diminuer la charge négative de surface grâce à l’association avec les cations de la suspension. Par conséquent, la répulsion entre les particules se réduit, il y a alors plus d’interactions particule-particule et l’attraction électrostatique entre les faces et les bords d’autres particules entraîne un réseau structurel responsable de la structure gel de la suspension de Laponite [53]. Le niveau et le type d’électrolyte ont un effet marqué sur la stabilité et la viscosité apparente de la Laponite dispersée [7]. La figure ci-dessous montre les étapes d’hydratation de la Laponite.

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Il existe plusieurs catégories de Laponite, RD, XLG, RDS, XLS, S482, qui diffèrent selon qu’elles conduisent à la formation d’un gel ou d’une suspension liquide temporaire ou stable de façon permanente [52]. Nous utilisons la Laponite RD (ROCKWOOD) qui conduit à la formation d’un gel.

Les propriétés de la Laponite RD sont regroupées dans le tableau suivant :

Laponite RD

Forme Poudre blanche à la forme de cristaux de diamètre de 25 nm et

d'une épaisseur de 0,92 nm lorsqu’ils sont dispersés dans l’eau. Elle donne une suspension transparente dans l'eau.

Masse volumique en suspension (bulk density)

1 g/cm3

pH Autour de 10 (à 2 % suspension, pH= 9,8)

Tableau 2. 2 : Propriétés de la Laponite RD [52] [54]

Thixotropie de la Laponite

La Laponite en suspension développe des propriétés rhéologiques individuelles telles que la thixotropie. À faible vitesse de cisaillement, c’est un gel à grande viscosité apparente. Sous cisaillement constant, sa structure se casse et la viscosité apparente diminue au cours du temps. Puis les propriétés initiales se recouvrent après l’arrêt du cisaillement [54] [13]. La durée de gélification est extrêmement longue, surtout sur les échantillons de faibles forces ioniques et de faibles concentrations. C’est un gel qui évolue toujours au cours du temps [54]. À partir d’une concentration en masse de 2% dans l’eau, elle forme un gel fortement thixotrope. Pour une concentration qui dépasse le 3%, un gel à forte contrainte seuil se crée d'où la difficulté d'incorporation d'autres matériaux dans la suspension [55].

Par conséquent, nous éviterons pour la fabrication de notre sédiment modèle d’utiliser une concentration de Laponite supérieure à 2%.

Effet de la concentration massique - force ionique

La concentration et la force ionique sont les deux facteurs principaux agissant sur l'état de la suspension de Laponite. La gélification s'accélère par l'augmentation de la force ionique en ajoutant des sels ou en augmentant la concentration de Laponite.

En effet, l'augmentation de la concentration en Laponite amène à l’augmentation de la force ionique par libération d’une partie des contre-ions Na+

dans la suspension. Cet effet vient s’ajouter à l’influence de la concentration et la probabilité de rencontres entre les particules augmente lorsque la concentration dépasse 10 g/l. Cela finit par conduire les échantillons à des structures agrégées au bout de quelques jours [53]. De même pour l'ajout de sels, plus la couche de répulsion électrostatique diminue, plus l’agrégation des particules est rapide.

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Lorsque la force ionique est supérieure à 2 10-2 M, une floculation indépendante de la concentration est obtenue. Par contre, pour une force ionique inférieure à 2 10-2 M et dans le cas d'une concentration en Laponite ne dépassant pas 2%, Mourchid et al. [56] ont observé expérimentalement une transition sol/gel (liquide isotrope IL / gel isotrope IG). Ensuite, Gabriel et al. [57] mettent en évidence une seconde transition gel isotrope / gel nématique pour des concentrations massiques en Laponite entre 3% et 5%. La figure suivante illustre ces résultats dans un diagramme de phase dépendant de la concentration et de la force ionique.

Figure 2. 3 : Diagramme de phase des suspensions de Laponite [56]

Effet du pH

Le pH est un facteur qui agit sur la stabilité chimique de la Laponite. Selon le pH de la solution les bords peuvent être chargés positivement ou négativement grâce aux atomes de silicium et magnésium. La dissolution de CO2 de l'air dans la suspension de Laponite entraîne une diminution de pH ce qui nécessite de le conserver sous une atmosphère de N2 [19] [56].

Recommandations pour la fabrication de suspensions de Laponite [55]

 L'addition de la poudre de Laponite directement dans une solution d’électrolytes conduit à la floculation. Il n’est pas recommandé d’utiliser la Laponite dans des formules qui contiennent des composants cationiques,

 Le Laponite doit toujours être dispersée dans l'eau avant d'ajouter n'importe quel autre produit dans la suspension. Le but est de la laisser s'hydrater totalement dans l'eau pour obtenir un état de cristal individuel, séparé et totalement dispersé,

 La poudre de Laponite doit être ajoutée à l'eau à la température ambiante avec une forte vitesse d'agitation. Une faible vitesse d'agitation et une petite durée d'agitation produit des particules de Laponite partiellement hydratées,

 Le fort cisaillement ne détruit pas la structure de la Laponite comme dans le cas de polymères. Une forte vitesse d'agitation est recommandée, spécialement dans le cas d’une grande concentration en Laponite.

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