Stability of nanometric suspensions and effect of surface complexation: an X-ray study

¹ Service de chimie moléculaire, CEA/Saclay 91191 Gif-sur-Yvette cedex, France.
² Rhône-Poulenc, 52, rue de la Haie-Coq, 93308 Aubervilliers cedex, France.

Abstract

We study the stability of a nanometric sol of zirconium dioxide when it is concentrated up to 30w%. The position and shape of the X-rays scattering peaks are examined as a function of the sample history (first compression or reswelling), of its concentration, of its surface state. At pH 3, the unprotected particles aggregate when they are concentrated above 70 g/l. This irreversible aggregation is attributed to the adhesion of the particles at contact, because of van der Waals attraction or because of chemical reaction. This point of view is demonstrated in the case of the adsorption of a small organic molecule (acetylacetone) on the surface. This molecule forms a non-adhesive protective layer and stabilizes the dispersion up to a concentration three times higher. It produces then only a reversible aggregation. The evolution of the correlation peak position as a fonction of the concentration is calculated, using a pair potential model: the acetylacetone molecule lowers the electrostatic repulsion, but adds a hard-core repulsion that prevents irreversible aggregation.

Résumé

Nous étudions la stabilité d’un sol nanométrique d’oxyde de zirconium que l’on concentre jusqu’à 30% en poids. La position et la forme des pics de diffusion des rayons X sont examinées en fonction de l’histoire de l’échantillon (première compression ou regonflement), de sa concentration et de son état de surface. A pH 3, les particules non protégées s’agrègent lorsqu’on les concentre audelà de 70g/l. Cette agrégation irréversible est attribuée à l’adhésion des particules au contact, soit par attraction de Van der Waals, soit par réaction chimique. Ce point de vue est démontré par l’effet de l’adsorption d’une petite molécule organique (acétylacétone) en surface. Cette molécule forme une couche protectrice non adhésive et stabilise la dispersion jusqu’à une concentration trois fois plus élevée. Elle n’engendre alors qu’une agrégation réversible. L’évolution du pic de corrélation en fonction de la concentration est calculée en considérant un modèle de potentiel de paire : l’acétylacétone diminue les répulsions électrostatiques mais ajoute une répulsion de type sphères dures qui empêche l’agrégation irréversible.