Influence des impuretés des kaolins sur les propriétés des produits de cuisson.

par Nedjima Bouzidi

Thèse de doctorat en Genie des procédés

Sous la direction de Pierre Gaudon.

Soutenue le 23-09-2012

à Saint-Etienne, EMSE , dans le cadre de ED SIS 488 .

Le président du jury était Djaafar Benachour.

Le jury était composé de Pierre Gaudon, Djaafar Benachour, Philippe Blanchart, Gerard Janin, Mustapha Maza, Jérôme Molimard.

Les rapporteurs étaient Philippe Blanchart.


  • Résumé

    Ce travail concerne l’étude de l’effet des impuretés sur les phénomènes physico-chimiques apparaissant durant le frittage des kaolins entre 900 et 1600 °C et les propriétés physiques qui en découlent. Le kaolin est utilisé dans le domaine des céramiques : céramique traditionnelle, porcelaine, céramiques réfractaires (mullite, chamotte), porcelaines électrotechniques, etc… Il est d’usage de contrôler la teneur et la nature des impuretés car leur présence peut limiter leurs applications.Sept kaolins ont été choisis pour les impuretés qu’ils contiennent à savoir ;• Feldspaths, quartz et oxydes de fer pour les kaolins de Tamazert (Algérie)• Matières organiques et oxyde de manganèse pour les kaolins de Djebel Debbagh (Algérie).• Matières organiques, oxydes de fer, gibbsite et anatase pour les kaolins des Charentes (France). La kaolinite ou l'halloysite, de même composition, est le minéral majeur dans chaque cas. L'ensemble des matériaux a été réduit par broyage à la taille de 63 μm. Le premier volet de l’étude consiste en une caractérisation physico-chimique des différents kaolins pour identifier et quantifier les principaux minéraux qui les composent. Le second volet concerne la compréhension des transformations thermiques qui se produisent lors du processus de deshydroxylation de la kaolinite (metakaolin) et lors de la formation de la mullite et de la cristobalite à de hautes températures (1600 °C). La microstructure, le retrait, la densification, la porosité sont les principaux paramètres étudiés dans ce volet.Le troisième volet porte sur les propriétés des kaolins lors du frittage à savoir : Les propriétés colorimétriques, mécaniques et diélectriques. L’effet des impuretés ainsi que la microstructure lors du frittage sur ces propriétés (colorimétrique, mécaniques et diélectriques) sont largement développés. Lors du frittage des différents kaolins la taille des cristallites de mullite augmente avec la température. Ces cristallites incorporent les impuretés colorantes tels que Fe2+/Fe3+, Ti4+/Ti2+ et Mn4+/Mn2+ (selon la température), ce qui résulte dans l’augmentation de la chromaticité et la diminution de la clarté à partir de 1100 °C. La transformation de la phase anatase à la phase rutile diminue le paramètre de clarté des kaolins des charentes. La présence de cristobalite dans le cas du kaolin de Djebel Debbagh riche en manganèse participe à l’augmentation de sa clarté au delà de 1400 °C. La présence de feldspath dans les kaolins de Tamazert améliore leurs propriétés diélectriques grâce à la formation de la phase vitreuse. Lors de l’augmentation de la température à1300 °C, ces propriétés augmentent, elles diminuent avec l’augmentation des fréquences (107-109Hz). Les pertes diélectriques sont plus importantes par rapport à celles rencontrées dans les matériaux céramiques (Porcelaines) utilisés dans les diélectriques qui sont en générale <10-3. Une dernière partie est consacrée à l’application d'un kaolin naturellement riche en anatase dans le domaine des porcelaines diélectriques. L’identification et la quantification des phases formées durant le frittage à 1300 °C , la porosité, la microstructure (observée par MEB) et les propriétés mécaniques et diélectriques sont déterminés. La permittivité relative théorique des porcelaines obtenues, calculée en utilisant la règle des mélanges des phases minéralogiques formées est en bon accord avec les valeurs expérimentales trouvées.

  • Titre traduit

    Influence of the kaolin impurities on the fired products properties.


  • Résumé

    This work concerns the study of the effect of impurities on the physico-chemical phenomena occurring duringthe sintering of kaolin between 900 and 1600 °C and the resulting physical properties. Kaolin is used in the field ofceramics: traditional ceramics, porcelain, refractory ceramic (mullite, chamotte), electrotechnical porcelain, etc. ... It iscustomary to control the content and nature of impurities that may limit their applications.Seven kaolin were selected for the impurities they contain namely; Feldspar, quartz and iron oxides in kaolin of Tamazert (Algeria). Organic matters and manganese oxide for kaolin of Djebel debbagh (Algeria). Organic matter, iron oxides, gibbsite and anatase in kaolin of Charentes basin (France).Kaolinite and halloysite, with the same composition, is the major mineral in each case. All the materials werereduced by grinding to the size of 63 μm.The first part of the study consists of physico-chemical characterizations of different kaolin to identify andquantify the major minerals that compose them.The second part concerns the understanding of thermal transformations that occur during the process ofdehydroxylation of kaolinite (metakaolin) and during the formation of mullite and cristobalite at high temperatures(1600 ° C). The microstructure, shrinkage, densification, the porosity are the main parameters studied in this part.The third part deals with the properties of kaolin during sintering where colorimetric, mechanical and dielectricproperties were studied.The effect of impurities and the microstructure during sintering of these properties (color, mechanical anddielectric) are widely developed. During sintering, crystallite size of mullite of different kaolins increases withtemperature. These crystallites incorporate impurities coloring such as Fe2 +/ Fe3 +, Ti4 +/ Ti2 + and Mn4 +/ Mn 2 +(depending on temperature), resulting in the increase of the chromaticity and the decrease in brightness from 1100 ° C.The transformation of anatase to rutile phase decreases the parameter of clarity of the charente kaolin. Presence ofcristobalite in the case of kaolin of Djebel Debbagh (which is rich in manganese) participates to the increase in claritybeyond 1400 ° C. The presence of feldspar in kaolin of Tamazert improves their dielectric properties through theformation of the glassy phase. When increasing the temperature at 1300 ° C, these properties increase. Relativepermittivity of the calcined kaolin decrease with increasing frequency (107-109Hz). The dielectric losses are largercompared to those found in materials used in the dielectric which are in general <10-3.The last part is devoted to the application of kaolin naturally rich in anatase in the field of dielectric porcelain.The identification and quantification of phases formed during sintering at 1300 °C, porosity, microstructure (observedby SEM) and mechanical and dielectric properties are determined. The theoretical relative permittivity obtained bycalculation using a mixing rule of the mineralogical phases formed agrees with the experimental values.


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