Détermination des processus à l’échelle nanométrique responsables de l’agrégation des particules primaires de silice

Determination of nanoscale processes responsible for aggregation of silica primary particles

• Auteur / Autrice : Jules Valente
• Direction : Frédéric Gruy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés
• Date : Soutenance le 15/12/2014
• Etablissement(s) : Saint-Etienne, EMSE
• Ecole(s) doctorale(s) : ED SIS 488
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Rhodia Silicia - UMR 5307 - Laboratoire Georges Friedel - Département PROcédés Poudres- Interfaces- Cristallisation et Ecoulements / PROPICE-ENSMSE
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Département PROcédés Poudres, Interfaces, Cristallisation et Ecoulements
• Jury : Président / Présidente : Philippe Grosseau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Gruy, Philippe Grosseau, Fabienne Espitalier, Éric Schaer, Frank Babick, Emmanuelle Allain
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fabienne Espitalier, Éric Schaer
• DOI : 10.70675/e021d08cz3811z4cbbza7a4z656b53f05f86

Mots clés

Mots clés contrôlés

Silice

Pneus

Agrégation (chimie)

Précipitation (chimie)

Cinétique chimique

Mots clés libres

Silice fractale

Gélification

Turbidimétrie

Bilan de population

Precipitation

Fractal silica

Aggregation

Gelation

Turbidimetry

Population balance

Résumé

L’incorporation de silice, obtenue par un procédé de précipitation en milieu aqueux, à la bande de roulement des pneumatiques a permis d’en réduire significativement la résistance au roulement et par conséquent, l’impact environnemental. L’efficacité de la silice précipitée en tant que charge de renfort est liée à la présence d’agrégats nanométriques au sein de ce matériau et à son interaction avec l’élastomère du pneumatique. La maîtrise de la morphologie des agrégats est donc un levier pour le développement de silices plus performantes. Dans ce contexte, la présente étude porte sur le développement d’un modèle prédictif de la formation de l’agrégat de silice au cours de la précipitation. Un suivi par turbidimétrie en ligne et par DLS a permis d’illustrer l’influence critique des paramètres de synthèse sur la cinétique d’agrégation. Un modèle optique basé sur les propriétés diffusantes des objets fractals a été développé pour extraire des informations morphologiques sur l’agrégat au cours de sa construction à partir des spectres de turbidité expérimentaux. Les résultats semblent indiquer une densification de la structure au fur et à mesure que se déroule l’agrégation. Les analyses de porosimétrie azote et mercure menées sur les produits finaux, obtenus après séchage, ont quant à elles mis en évidence des différences texturales qui ont pu être mises en lien avec la cinétique d’agrégation. L’ensemble de ces informations a été repris dans un bilan de population permettant de traiter à la fois la croissance et l’agrégation des particules de silice ainsi que de simuler les propriétés optiques de la suspension.

Tires manufactured with precipitated silica instead of carbon black present a significantly lower rolling resistance and are therefore more environmentally friendly. Existence of nanometric aggregates inside the precipitated silica is responsible for its efficiency as a reinforcing filler. This level of structure deeply affects the quality of the interactions between silica and the rubber of the tire tread. Gaining control over the morphology of the aggregates could thus be a way to produce silica even more suited to this application.The aim of the present study is to develop a theoretical model able to predict the formation of silica aggregates during the precipitation process. Critical influence of the synthesis parameters on the aggregation kinetics were evidenced by DLS and online turbidimetry measurements. Morphological parameters of the expanding aggregates could be extracted from the experimental turbidity spectra thanks to a fractal scattering optical model. The observed trend suggested a densification of the aggregates over time. Nitrogen and mercury porosimetry analyses were carried out on the dried powders obtained at the end of the precipitation. Differences between the characterized samples could be related to the variations in their aggregation kinetics. Finally, a population balance model was developed. A specific feature of our model is that it is able to take into account both growth and aggregation of silica particles as well as to simulate their optical properties.