Changements structurels dans la bentonite étudiés avec la DRX

Problématique / Besoin :

Dans de nombreuses applications, les propriétés de la bentonite argileuse gonflante sont modifiées par le recuit. La diffraction des rayons X in situ (DRX) révèle les changements sous-jacents de la structure atomique. Des transformations de phase sont observées à plusieurs températures différentes lors d'un chauffage jusqu'à 1000°C. 

Méthode utilisée / Réponse apportée :

1. Introduction

La bentonite est une argile gonflante qui peut absorber de grandes quantités d'eau. Il est formé de cendres volcaniques vieillies et a diverses applications telles que : 

• La boue de forage
• Le liant dans les sables de moulage pour la coulée d'acier
• Le liant en céramique (poterie)
• L'agent de collage en vinification
• La substance pour nettoyer / détoxifier les aquariums
• L'absorbant pour l'épuration des eaux usées
• Le catralyseur de plusieurs réactions chimiques
• Les remplisseurs en cosmétique et pharmaceutique
• La substance absorbante dans la litière pour chat
• Le matériau barrière pour les déchets nucléaires

Certaines de ses applications impliquent le chauffage de la bentonite à des températures élevées, ce qui entraîne d'énormes changements dans de nombreuses propriétés macroscopiques ( y compris l'aspect visuel). La DRX fournit des informations sur les changements de la structure atomique qui conduisent à l'altération des propriétés du matériau. Dans ce rapport d'application, les mesures DRX sont effectuées in situ à l'aide du diffractomètre à rayons X à poudre polyvalent automatisé XRDynamic 500 et de la chambre de four à haute température HTK 1200N, tous deux d'Anton Paar. 

2. Détails expérimentaux

Le matériau de départ de cette étude était une poudre de bentonite composée d'environ 70% de montmorillonite, qui est le composant principal de la bentonite et la raison de sa capacité de gonflement. Tout d'abord, une mesure DRX dans des conditions ambiantes a été effectuée pour l'analyse de phase du matériau de départ. Pour cette mesure, le diffractomètre de rayons X à poudre polyvalent automatisé XRDynamic 500 a été utilisé avec son étape de configuration d'échantillon. Deuxièmement,la chambre de four à haute température HTK 1200N avec sa centrifugeuse d'échantillons a été connectée au XRDynamic 500 pour étudier les changements structurels lors du chauffage . 

Astuce : L'utilisation de porte-échantillons rotatifs réduit les problèmes d'orientation et de granulation préférées. Pour les expériences de chauffage in situ, cela pourrait devenir pertinent même avec des matières premières à grains fins en raison du grossissement des grains pendant le chauffage. L'échantillon a été chauffé par paliers de 100°C jusqu'à 1000°C avec une vitesse de chauffage de 20°C/min. A chaque palier de température, une mesure DRX a été réalisée en conditions isothermes après un temps d'équilibrage initial de 10 minutes. L'expérience in situ complète a été définie dans le logiciel de contrôle XRDrive et exécutée automatiquement. 

Toutes les mesures DRX ont été effectuées avec un rayonnement Cu-Ka en géométrie Bragg-Brentano en utilisant un monochromateur multicouche à faisceau divergent Ni / C. On peut voir les paramètres de balayage pour les balayages ambiants et non ambiants. Les tailles de faisceau ont été ajustées en fonction des différentes tailles de porte-échantillons. Différents temps de balayage permettent la détection de très petits pics dans le balayage ambiant et un temps de mesure global raisonnable pour l'expérience non ambiante. 

3. Résultats et discussion

Structure avant chauffage

On peut voir le diffractogramme enregistré dans des conditions ambiantes avec la platine échantillon spinner. Les principaux pics peuvent être attribués aux deux phases montmorillonite et quartz. Alors que le quartz a une structure cristalline bien définie et produit des pics de Bragg nets, la structure de la montmorillonite est plus complexe et la largeur des pics de Bragg varie sur une large plage. La montmorillonite a une structure cristalline monoclinique et les atomes sont ordonnés en couches de tétraèdres. L'eau et les cations peuvent être placés entre ces couches. La quantité variable d'eau ainsi que les différents types et quantités de cations entrainent différents degrés de désordre, provoquant des changements dans le diagramme. 

Des pics supplémentaires peuvent être attribués à la muscovite, qui est également une phase commune présente dans la bentonite. 

Astuce : L'utilisation d'un monochromateur à faisceau divergent donne un fond inférieur à de petits angles de diffusion par rapport aux mesures en géométrie Bragg Brentano avec un filtre KB. Cela aide à identifier les petits pics de Bragg à de petits angles de diffusion. De plus, le monochromateur Ni/C offre une suppression supplémentaire de KB grâce au Ni présent dans l'optique. 

Changements structurels lors du chauffage 

Au cours de l'expérience de chauffage, la poudre initialement beige s'est transformée en un disque fritté rouge. Etant donné que le rétrécissement de l'échantillon peut entrainer des décalages de pic dus au déplacement de la hauteur de l'échantillon, le disque fritté a été mesuré à nouveau dans des conditions ambiantes après avoir effectué un alignement de l'échantillon, à la fois avant et après le broyage. Ces mesures ont montré un décalage de pic d'environ Δ2θ = 0,04 deg pour le premier pic de quartz, ce qui est acceptable pour l'analyse qualitative suivante. On peut voir la poudre initiale et l'échantillon rebroyé après chauffage à 1000°C. 

Conseil : Une géométrie de faisceau parallèle peut être utilisée pour éviter les décalages de pic dus aux changements de hauteur de l'échantillon. Cependant, cela implique généralement des temps de mesure plus longs, ce qui pourrait être indésirable en particulier pour les expériences in situ. 

Les diffractogrammes enregistrés dans l'expérience in situ reflètent les changements structurels à plusieurs étapes de température. Déjà le chauffage à 100°C entraine un énorme déplacement du premier pic de montmorillonite qui peut être attribué à la perte d'eau interparticulaire. Le petit pic restant à 2θ = 6,3°, qu a été superposé par le pic de montmorillonite avant chauffage, provient des feuilles de fenêtre de HTK 1200N. La perte de molécules d'eau liées (eau absorbée et intercouche) entraine d'autres modifications des pics de Bragg de la montmorillonite lors d'un chauffage supplémentaire jusqu'à 700°C. Dans le diffractogramme enregistré à 900°C, la montmorillonite ne peut plus être identifiée en raison de sa décomposition à des températures aussi élevées. 

La comparaison des diffractogrammes mesurés à 900°C et 1000°C montre la disparition de la muscovite et la formation d'une nouvelle phase, ce qui est en bon accord avec la dihydroxylation de la muscovite rapportée pour cette gamme de température dans la littérature. Pour la phase de quartz, un décalage de pic prononcé vers des valeurs de 2θ est observé dans l'étape de température de 500°C à 600°C , indiquant une expansion du réseau d'environ 0,49%. Ceci est causé par la transformation du quartz a en quartz B5 en plus de la dilatation thermique du réseau qui est également observée pour les autres paliers de température. Bien que l'on s'attende à ce que le B-quartz se transforme en tridymite à 870°C selon le diagramme de phase SiO2, cette transformation n'est pas observée jusqu'à le température la plus élevée de 1000°C. Cependant, cette observation est en bon accord avec la littérature, où la transformation est rapportée à des températures encore plus élevées en fonction par exemple de la présence de phases supplémentaires. 

4. Conclusion

La bentonite étudiée est constituée de montmorillonite, de quartz et de muscovite et subit plusieurs changements structurels au cours du chauffage, qui peuvent être identifiés par DRX in situ. Par exemple, des changements dans le diagramme de diffraction liés à la perte d'eau interparticulaire et liée à des températures basses et moyennes et à la décomposition de la montmorillonite à des températures élevées sont observés. Le diffractomètre à rayons X pour poudre polyvalent automatisé XRDynamic 500 et la chambre de four à haute température HTK 1200N d'Anton Paar répondent parfaitement aux besoins de telles mesures. De plus, comprendre les propriétés et le comportement de tels échantillons à des températures élevées est crucial pour leur application dans divers domaines où l'échantillon sera exposé à des températures élevées : la DRX in situ est l'outil idéal pour étudier les propriétés des échantillons dans ces conditions.