Etude de la floculation colloi͏̈dale par diffusion multiple de lumière et spéctroscopie ultrasonore

• Auteur / Autrice : Deniz Zeynel Gunes
• Direction : François Lequeux, Jean-Pierre Münch
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences physiques
• Date : Soutenance en 2003
• Etablissement(s) : Strasbourg 1

Mots clés

Mots clés contrôlés

Imagerie spectroscopique

Floculation

Colloïdes

Résumé

Nous avons étudié des suspensions concentrées (opaques) de latex ou minérales dont la stabilité vis-à-vis de la floculation revêt une importance industrielle majeure. En provoquant la floculation, nous avons induit des modifications de la structure et de la dynamique dans ces suspensions, dont les évolutions ont été suivies in situ par deux techniques non perturbatives : la Spectroscopie d'atténuation Ultrasonore et la Diffusion Multiple de Lumière (DWS). En ultrasons sur les latex, nous avons montré que suivant la température de transition vitreuse du latex, soit on ne mesure qu'une signature de la transition vitreuse, soit on peut quantifier l'effet de la floculation en isolant la partie thermoélastique du spectre d'atténuation. En sondant en DWS la dynamique d'un système floculé, la taille des agrégats a été mesurée pendant la sédimentation et l'évolution de la dynamique suivie dans un sédiment. Cette technique nous a permis de caractériser la floculation d'une suspension minérale de TiO2. Nous avons isolé deux régimes d'agrégation, un régime d'agrégation faible et un régime d'agrégation forte. Dans le régime d'agrégation faible, on peut mesurer la taille des agrégats qui est stable même dans le sédiment. Dans le régime d'agrégation forte, la dynamique dans le sédiment est caractérisée par une décorrélation à deux temps, le temps long correspondant au mouvement convectif induit par le tassement. Ce tassement du sédiment se ralentit au cours du temps. Nous avons ensuite étudié la floculation en régime concentré d'un latex cœur-écorce par les ions divalents Ca2+. Par des mesures de DWS, nous avons construit un diagramme dynamique de floculation à fraction volumique donnée en latex, en fonction de la concentration en Ca2+ et du pH. Nous avons montré qu'à pH faible, la diffusion lente des ions Ca2+ vers l'intérieur de l'écorce conduit à une dynamique de floculation complexe.

We studied highly concentrated (opaque) latexes or mineral suspensions ; the stability of these systems versus aggregation is of great industrial importance. We have induced flocculation, modifying thus the structure and dynamics of the suspensions. We have detected modifications of the system in situ using two non-perturbative techniques : Ultrasonic Attenuation Spectroscopy and Multiple Light Scattering (or Diffusing Wave Spectroscopy, DWS). For ultrasonic measurements on latexes, we showed that depending on the glass transition temperature of the latex, either the signature of the glass transition is determined, or the effect of flocculation is quantified. The latest requires to isolate the thermoelastic part of the attenuation spectrum, and we have been able to do so. The DWS probes the dynamics of a flocculated system. We have measured the size of the aggregates was measured during settling and the evolution of the dynamics in a sediment was monitored. This technique has proved to be useful for the characterization of a TiO2 mineral suspension. We distinguished between two aggregation regimes, one of weak aggregation and one of strong aggregation. In the weak aggregation regime, we could measure the size of the aggregates, which was stationary even in the sediment. In the strong aggregation regime, the dynamics in the sediment exhibits a two-steps relaxation, the longest time corresponding to the convective motion resulting from the packing of the sediment under gravity. This packing slows down with increasing age. Finally, we studied the flocculation by divalent ions (Ca2+) of a concentrated core-shell latex. Using DWS, a dynamic flocculation diagram was constructed, varying pH and Ca2+ concentration at a given particle volume fraction. We showed that for low pH, slow diffusion of Ca2+ ions within the shell of the latex particles is responsible for a complex dynamics of flocculation.