Structure-rheology relationships in nanocolloidal suspensions

Abstract:

Colloidal suspensions of silica nanoparticles in water exhibit both complex rheology and organisation. A multi-scale study is therefore needed to understand the link between behaviour at macroscopic scales and structure at microscopic scales. A variety of experimental measurements are therefore carried out using soft matter methods, such as small-angle X-ray scattering, and fluid mechanics methods, such as rheology. Understanding this type of dispersion is a key to understanding other phenomena. Indeed, when their scales are inaccessible in the laboratory, such as mantle convection, silica nanocolloids can be a good model system. In this study, the nanoparticles are characterised. Their radius and polydispersity are estimated by small-angle neutron scattering, their density by pycnometer measurements and their interactions by zeta-potential and conductivity measurements. Two types of Ludox®, HS40 and TM50, are studied, with radii of approximately 7 and 14nm. Both types of nanoparticle have a negatively charged surface which ensures dispersion stability. The surface of the former is less densely charged than that of the latter, as a direct result of their size. The microstructure is probed by the distribution of water using differential scanning calorimetry. The Gibbs-Thomson effect is used to determine the amount of confined and free water. This method reveals different structure sizes, ranging from aggregates composed of a few nanoparticles to the appearance of a network of nanoparticles, depending on the volume fraction of the dispersion. Rheology reveals a range of behaviours. As it dries, the initially newtonian dispersion becomes rheofluidic and develops a yield stress. The sol/gel transition is identified. The joint evolution of microscopic structures and rheological behaviour was demonstrated for both nanoparticle sizes. The same rheological domains can be identified, as well as the associated microstructuring events that occur during concentration. It is shown that HS40 gels at lower volume fractions than TM50, due to a lower charge density at the nanoparticle surface. 

Keywords:

Résumé :

Les dispersions colloïdales de nanoparticules de silice dans l’eau présentent une rhéologie ainsi qu’une organisation toutes deux complexes. Une étude multi-échelle est donc nécessaire afin de comprendre le lien entre le comportement à des échelles macroscopiques et la structure à des échelles microscopiques. Des mesures expérimentales variées sont donc réalisées avec des méthodes de la matière molle, comme la diffusion de rayons X aux petits angles et des méthodes de la mécanique des fluides, comme la rhéologie. La compréhension de ce type de dispersion est une clé pour la compréhension d’autres phénomènes. Effectivement, quand leurs échelles sont inaccessibles en laboratoire, comme la convection mantellique, les nanocolloïdes de silice peuvent être un bon système modèle. Dans cette étude, les nanoparticules sont caractérisées. Leur rayon et leur polydispersité sont estimés par diffusion de neutrons aux petits angles ; leur densité, par des mesures au pycnomètre ; leurs interactions par des mesures de potentiel-zeta et de conductivité. Deux types de Ludox®, le HS40 et le TM50, sont étudiés dont les rayons sont d’environ 7 et 14nm. Les deux types de nanoparticules ont une surface chargée négativement qui assure la stabilité de la dispersion. La surface de la première est moins densément chargée que celle de la seconde, conséquence direct de leur taille. La microstructure est sondée par la répartition de l’eau par calorimétrie différentielle à balayage. L’effet Gibbs-Thomson est exploité afin de déterminer les quantités d’eau confinée et libre. Cette méthode révèle différentes tailles de structure, allant de l’agrégat composés de quelques nanoparticules à l’apparition d’un réseau de nanoparticules, selon la fraction volumique de la dispersion. La rhéologie révèle une palette de comportements. Au fur et à mesure du séchage, la dispersion initialement newtonienne devient rhéofluidifiante et développe une contrainte seuil. La transition sol/gel est identifiée. L’évolution conjointe des structures microscopiques et des comportements rhéologiques est mise en évidence pour les deux tailles de nanoparticules. Les mêmes domaines rhéologiques sont identifiables, ainsi que les évènements de la microstructuration associés, s’enchaînent lors de la concentration. Il est montré que le HS40 se gélifie cependant à des fractions volumiques plus faibles que le TM50, en raison d’une densité de charge à la surface des nanoparticules moins élevées.

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