Théorie de Derjaguin, Landau, Verwey and Overbeek (théorie de DLVO)

La théorie DLVO suggère que la stabilité d'une particule dans une solution est dépendante de l'énergie d'interaction totale V^T. Cette théorie reconnait que V^T est l'équilibre de plusieurs contributions antagonistes.

V_T = V_A + V_R + V_S

Où V_S est l'énergie potentielle due au solvant, cela ne constitue généralement qu'une contribution marginale à l'énergie d'interaction totale sur les quelques nanomètres de séparation. L'équilibre entre V_A et V_R est beaucoup plus important, ce sont les contributions d'attractions et de répulsions. Elles sont potentiellement plus grandes et agissent sur une plus grande distance.

V_A = -A/(12 π D²)

Où A est la constante d'Hamaker et D la distance interparticulaire. Le potentiel de répulsion V_R est une fonction beaucoup plus complexe.

V_R = 2 π ε a ξ² exp(- κD)

Où a est le rayon de la particule, π est la permitivité du solvant, _K est fonction de la composition ionique et E le potentiel zêta.

La théorie de DLVO suggère que la stabilité d'un système colloïdal est déterminée par la somme des forces de l'attraction de Van der Waals (V_A) et la double couche électrique de répulsion (V_R), qui existent entre les particules lorsqu'elles s'approchent les unes des autres en raison du mouvement Brownien qu'elles subissent. Cette théorie énonce qu'une barrière énergétique résultant des forces répulsives empêchent deux particules de s'approcher l'une de l'autre et d'adhérer l'une à l'autre (illustration 1). Mais si les particules entre en collision avec une énergie suffisante pour passer la dite barrière énergétique, la force d'attraction les tirera jusqu'à les mettre en contact et les coller très fortement l'une a l'autre et de manière irréversible. Donc si les particules ont une répulsion suffisamment importante, la dispersion résistera à la floculation et le système colloïdal sera stable. Cependant si un mécanisme de répulsion n'existe pas, des phénomènes de floculation ou de coagulation pourront alors apparaitre.

Illustration 1:Schéma de la variation de l'énergie libre avec la séparation des particules selon la théorie de DLVO. L'énergie nette est donnée par la somme de la double couche de répulsion et par les forces d'attractives de Van der Waals que les particules subissent lorsqu'elles s'approchent l'une de l'autre.

Dans certaines situations, par exemple dans des concentrations à forte salinité, il y a une possibilité d'un second minimum où une adhésion beaucoup plus faible et potentiellement plus réversible existe entre les particules. Ces faibles flocs sont suffisamment stables pour ne pas être cassés par le mouvement Brownien, mais peuvent se dissocier les uns des autres sous l'application d'une force extérieure comme une agitation vigoureuse.

Illustration 2: Schéma de la variation de l'énergie libre avec une séparation des particules à des concentrations salines élevées montrant la possibilité d'un second minimum.

Donc pour maintenir la stabilité d'un système colloïdal, les forces de répulsion doivent être dominantes. Comment la stabilité colloïdale peut elle être atteinte? Il y a deux mécanismes fondamentaux qui affectent la stabilité de la dispersion (illustration 3):

• Répulsion stérique- cela implique que les polymères ajoutés au système, sont adsorbés à la surface des particules et interdisent une mise en contact des surfaces des particules. Si assez de polymère est adsorbé, l'épaisseur de la couche est suffisante pour garder les particules séparées par répulsion stérique entre les couches de polymères, et à ces séparations, les forces de Van der Waals sont trop faibles pour faire adhérer les particules.

• Stabilisation électrostatique ou de la charge - c'est l'effet sur l'interaction de la particule due à la distribution ou à la présence d'éléments chargés dans le système.

Chaque mécanisme a des bénéfices sur des systèmes particuliers. La stabilisation stérique est simple, et demande juste l'ajout d'un polymère adéquat. Cependant, il peut être difficile par la suite de faire floculer le système si cela est nécessaire, le polymère peut être couteux et dans certains cas le polymère utilisé est indésirable, cela est par exemple le cas quand une céramique coulée et agglomérée est défectueuse, le polymère doit être brulé. Cela cause la rétractation du produit et peut conduire à des défauts.