Structure et morphologie des argiles lamellaires

Morphologie des argiles

A l’oeil nu, l’argile se présente sous la forme d’une poudre très fine dont la taille ne dépasse pas quelque micromètres (typiquement < 4µm) [1]. Pour clarifier, nous allons utiliser le terme « agrégat » pour représenter les argiles à líétat poudreux. Les agrégats se composent, en général, de petites particules ayant une forme plus ou moins rectangulaire, appelée « particules primaires ». Ces particules primaires sont elles-mÍmes assemblées en Structure et morphologie des argiles lamellaires  « cristallites » ou « tactoÔdes ». Chaque cristallite est constituée d’un empilement de feuillets, d’une épaisseur ≤ 1 nanomètre et de plusieurs dizaines à plusieurs centaines de nanomètres d’extension latérale. Ces feuillets sont reliés entre eux par des forces électrostatiques attractives entre les ions compensateurs et les feuillets, ainsi que des forces de van der Waals. Nous présenterons un peu plus de détails dans le paragraphe suivant. La Figure I.1 présente schématiquement les différentes échelles de taille des particules d’argile. A noter que, dans ce manuscrit, le terme « agglomérat » sera utilisé pour des objets plus gros que les poudres d’argile initiales, qui pourront se former lors de l’élaboration des nanocomposites. Figure I.1 : Schéma de dif érentes échelles díune particule díargile (après Vaia et al. [2]).

Structure cristallographique des argiles lamellaires

La structure des argiles a été étudiée et déterminée il y a de nombreuses années. Elles sont formées à partir díéléments structuraux élémentaires, les tétraèdres de silice (SiO4) et les octaèdres díaluminium (Al(OH6)), illustrés sur la Figure I.2. Figure I.2 : Eléments structuraux de bases des argiles lamellaires [3].  Ces deux éléments sont associés pour former deux types de « couches », tétraédrique (T) et octaédrique (O), et reliées entre elles par la mise en commun díoxygènes. Les feuillets résultent alors d’une combinaison de la couche tétraédrique et de la couche octaédrique. Selon líagencement des deux couches et la substitution isomorphe1, les argiles peuvent Ítre dénombrées en un très grand nombre díespèces. La classification principale, selon les minéralogistes, est la suivante [4] :  Minéraux argileux T-O ou 1/1 Dans ce groupe, les feuillets élémentaires sont constitués d’un empilement d’une couche tétraédrique et d’une couche octaédrique, permis par une substitution d’atomes d’oxygène de la couche tétraédrique par des ions OH- de la couche octaédrique (Figure I.3). Lorsque deux feuillets sont superposés, les atomes O- présents sur la surface supérieure et les atomes H+ de la surface inférieure développent entre eux une liaison hydrogène O-H forte. Ceci confère une grande stabilité à un empilement de feuillets vis-à-vis des actions de l’eau. La structure cristallographique des minéraux argileux T-O est présentée à la Figure I.3. A noter qu’en général, il níy a aucun espace libre accessible entre les feuillets. Figure I.3 : Représentation cristallographique des minéraux argileux T-O. (ex. kaolinite, Al4(Si4O10)(OH)8) [4] Dans ce groupement, l’argile la plus connue et la plus utilisée comme renfort dans les polymères est la kaolinite. Typiquement, une cristallite de kaolinite sera constituée de plusieurs centaines de feuillets, pour former des plaquettes díune épaisseur de quelques centaines de nanomètres, regroupées ensuite en agrégats de quelques microns

Minéraux argileux T-O-T ou 2/1

Dans ce groupement, les feuillets élémentaires sont composés d’une couche d’alumine (octaèdres) comprise entre deux couches de silice (tétraèdre), la seconde couche de silice étant inversée par rapport à la première (Figure I.5). Les trois couches sont liées entre elles par des atomes d’oxygène. Plusieurs argiles situées dans ce classement ont été utilisées comme renfort pour les composites classiques, comme par exemple le mica (mouscovite), le talc, etc. Naturellement, les argiles T-O-T peuvent se trouver dans trois situations différentes : (1) pas de substitution isomorphe, (2) substitutions octaédriques et (3) substitutions tétraédriques. Dans la première situation (Figure I.5a), comme par exemple pour le talc, tous les sites octaédriques sont occupés par Mg3+ (pas de substitution isomorphe). En conséquence, il n’y a aucun déficit de charge sur la surface. Les feuillets sont alors électriquement neutres et présentent une grande stabilité vis-à-vis de l’eau, exactement comme dans le cas des argiles T-O. Dans le cas o˘ il y a une substitution isomorphe, il existe un déficit de charge (souvent négatif) sur la surface des feuillets, qui est compensé naturellement par les cations compensateurs. C’est l’exemple du mica (Figure I.5b), terme qui désigne un groupe de 29 minéraux phyllosilicatés au clivage basal parfait. Il présente des substitutions tétraédriques : un ion Si4+ sur quatre est remplacé par un ion Al3+.