Des nanoparticules (NP) d'oxyde métallique sont déjà utilisées dans des formulations de revêtements (peinture, vernis, laques, etc.) à base de solvants ou de résines époxy. Ces particules, bien dispersées, permettent d'obtenir des performances mécaniques et optiques supérieures comparées à celles obtenues avec des formulations sans NP. Ces performances ne sont malheureusement pas toujours observées pour les formulations à bases aqueuses. En effet, ce type de formulation affiche généralement des problèmes de stabilité (sédimentation, agrégation, etc.). Ces problèmes sont peu prévisibles et difficiles à évaluer de façon quantitative, particulièrement pour des teneurs faibles en NP (e.g. 1-3% m/m). Ce comportement inhérent aux NP dispersées en milieux liquides, et l'absence de méthodes simples pour observer ce comportement sont un frein majeur à leur utilisation dans des formulations de revêtements à bases aqueuses. Cette étude se concentre donc sur la compréhension des phénomènes de stabilisation et d'agrégation des NP en milieux aqueux. La première étape de cette étude consiste à développer une méthode simple et largement disponible à peu de frais pour faire l'observation de l'état d'agrégation des NP en suspension dans l'eau et divers milieux aqueux. Dans une deuxième étape, utilisant la méthode d'évaluation de la stabilité développée précédemment, l'influence de divers paramètres physico-chimiques (pH et force ionique) ayant un impact sur la stabilité des suspensions en fonction du temps a été étudiée. Finalement, une évaluation du potentiel d'une dizaine de dispersants chimiques pour améliorer la stabilité des suspensions de NP dans l'eau a été effectuée. Les particules utilisées dans cette étude sont des NP d'alumine (Al[indice inférieur 2]O[indice inférieur 3]) et d'oxyde de zinc (ZnO) obtenues commercialement sous forme de poudres sèches. Ces particules ont préalablement été caractérisées par microscopie électronique en transmission, par diffraction des rayons X, par BET ainsi que par ATG. Les résultats obtenus concordent avec les fiches techniques du fabricant. L'influence des milieux de dispersion (solvants organiques vs eau) sans recours à des moyens de dispersions mécaniques autres que la simple agitation a été évaluée par suivi de la vitesse de sédimentation sur des dispersions d'Al[indice inférieur 2]O[indice inférieur 3] 1,0% (m/m). Le choix des solvants organiques a été effectué pour couvrir une plage de propriétés moléculaires (moment dipolaire, polarisabilité) et macroscopiques (constante diélectrique, tension de surface, énergie de cohésion). Parmi les divers solvants étudiés, les solvants protiques ainsi que l'eau se sont montrés les plus efficaces pour disperser les NP. Les NP utilisées, sous forme de poudre, sont déjà dans un état aggloméré. Une fois en suspension dans l'eau, on devine la présence d'agrégats par observation de sédimentation. Afin de briser ces agrégats, deux types de traitements mécaniques ont été évalués : traitement aux ultrasons (sonification) et agitation sous très fort taux de cisaillement (homogénéisation). La sonification s'est avérée plus efficace que l'homogénéisation. Le milieu aqueux de référence choisi pour l'étude de la dispersion est une solution aqueuse de NaCl à 10 mM et la concentration en NP a été fixée à 1,0% (m/m). L'influence des paramètres de pH et de force ionique (conductivité) a été évaluée par des mesures de la vitesse de sédimentation, par l'observation de l'état d'agrégation (absorption dans l'UV-Vis) ainsi que par la détermination du potentiel zêta. Ces paramètres ont une grande importance sur la stabilité de ces colloïdes puisqu'ils ont un impact direct sur les interactions électrostatiques entre les particules. Une diminution de ces forces de répulsion est favorable au phénomène d'agrégation. Une zone d'instabilité entre pH 8 et 10 a été déterminée, le point isoélectrique mesuré pour les NP d' Al[indice inférieur 2]O[indice inférieur 3] et de ZnO étant de 8,9 et 9,2 respectivement. Une conductivité supérieure à 2,5 mS/cm provoque également une déstabilisation des suspensions de NP. Malheureusement, le pH des formulations des résines aqueuses (peintures et vernis) dans lesquelles les NP doivent être incorporées se situe entre 8 et 9. La conductivité de ces résines est toutefois inférieure à 2,5 mS/cm. Enfin, une évaluation de différents dispersants chimiques pour stabiliser les suspensions de 1,0% (m/m) en NP dans la solution aqueuse standard (NaCl 10 mM) a été faite. L'augmentation des interactions de répulsions (électrostatiques et/ou stériques) entre les particules par l'adsorption de dispersants est une voie simple et intéressante pour minimiser l'agrégation rapide des NP. L'efficacité de ces dispersants a été évaluée par observation de la stabilité (agrégation en fonction du temps) par absorption UV et par la vitesse de sédimentation, ainsi que par la mesure du potentiel zêta.Des polyacrylates de faible masse moléculaire ainsi que des phosphates ont démontré une amélioration de la dispersion des NP après plus de 28 jours. Pour certains dispersants commerciaux, cette amélioration s'est maintenue pendant plus de 70 jours.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:usherbrooke.ca/oai:savoirs.usherbrooke.ca:11143/5740 |
| Date | January 2012 |
| Creators | Racine, Bruno |
| Contributors | Jolicoeur, Carmel |
| Publisher | Université de Sherbrooke |
| Source Sets | Université de Sherbrooke |
| Language | French |
| Detected Language | French |
| Type | Mémoire |
| Rights | © Bruno Racine |
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