Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
Les aérogels sont des matériaux très poreux obtenus par procédé sol-gel et séchage hypercritique. De par leur mode de synthèse et leur micro structure poreuses ils présentent des caractéristiques physiques uniques qui leur confèrent des potentialités intéressantes dans des domaines très variés : l’isolation thermique, l’électrochimie, la catalyse, l’acoustique, le confinement des déchets nucléaires, l’astrophysique mais aussi les biosciences. Après avoir décrit certaines propriétés physiques particulières des aérogels nous présentons les grandes classes d’aérogels étudiés dans la littérature (aérogels de silice, aérogels d’oxydes, aérogels organique, aérogels composites ,..) et des applications très différentes de ces matériaux.
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Aerogels are highly porous materials obtained from the sol-gel process and supercritical drying. By virtue of their synthesis process and porous microstructure, aerogels exhibit unique physical properties allowing interesting applications in technological domains such as thermal insulation, electrochemistry, catalysis, aerospace, acoustics, nuclear waste containment, and also biosciences. We describe some of the unusual physical properties of aerogels, and present the different classes of aerogels described in the literature (silica aerogels, oxide aerogels organic aerogels, composites aerogels, etc.) and their different applications.
Auteur(s)
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Jean PHALIPPOU : Professeur à l’École polytechnique universitaire de Montpellier Laboratoire des verres-UMR 5587 – Montpellier
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Laurent KOCON : Ingénieur de l’École nationale supérieure de physique de Grenoble - Ingénieur au Commissariat à l’énergie atomique (CEA)
INTRODUCTION
La diffusion de la lumière par les poussières contenues dans l’atmosphère permet de visualiser le trajet d’un rayon lumineux, que l’on ne peut cependant pas matérialiser. Par contre, si un faisceau lumineux traverse un aérogel très transparent, son trajet est parfaitement délimité et observé d’une manière analogue à celle qui vient d’être décrite, mais les centres de diffusion sont maintenant situés dans un objet matériel très léger.
Une image souvent utilisée consiste à décrire l’aérogel comme une fumée figée. Il faut dire que la fraction volumique de matière contenue dans l’aérogel ayant la plus faible densité est inférieure à 0,14 %. Cela signifie que l’air occupe 99,8 % du volume de l’aérogel. Le plus léger d’entre eux a une masse volumique environ trois fois plus élevée que celle de l’air. De ce fait, ce solide présente des propriétés singulières qui sont exposées dans cet article. Signalons que sa texture peut être modifiée à l’aide de traitements chimiques, thermiques ou même mécaniques.
Il va de soi que, pour obtenir des matériaux aussi légers mais rigides, il faut synthétiser un réseau solide hautement réticulé avec un minimum de matière. De ce point de vue, les gels organiques et minéraux sont les meilleurs candidats. Le réseau solide est formé de liens fins interconnectés entre lesquels le solvant est localisé. Si le solvant s’évapore, le solide restant occupe alors un volume incomparablement plus faible que le gel de départ. Ces gels perdent au moins 90 % de leur volume lors de cette étape de séchage. Le séchage a induit un affaissement irréversible du réseau de matière.
Un aérogel, lui, est un gel qui a été séché d’une manière très particulière qui permet de conserver la délicate structure du solide telle qu’elle était établie dans le gel de départ. Le séchage est réalisé à l’aide d’un autoclave. Une élévation de température et de pression permet de dépasser le point critique du liquide. Pour cette raison, ce mode de séchage est appelé supercritique. En résumé, l’aérogel est issu d’un mode singulier de synthèse de solide ; c’est aussi le produit d’un mode inusuel de séchage.
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KEYWORDS
aerogels | supercritical dying | mesoporous materials | gels synthesis
VERSIONS
- Version courante de juil. 2017 par Thierry WOIGNIER
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Extraction du solvant2. Les différentes familles de gel
Les gels sont issus de réactions dites de chimie douce qui s’opèrent en phase liquide en présence d’un précurseur ionique ou covalent. Ce dernier réagit en présence d’un réactif, de catalyseurs ou sous l’effet de la température pour constituer une espèce solide colloïdale ou macromoléculaire qui s’organisera en réseau. L’objectif de ce paragraphe est de décrire les différents modes de synthèse de ces espèces et de donner des exemples de conditions opératoires pour l’obtention de gels destinés au séchage supercritique.
2.1 Gels minéraux
La gélification des composés d’oxydes métalliques est gouvernée, dans la majorité des cas, par deux réactions principales qui sont l’hydrolyse et la polycondensation. En fonction de la nature du solvant, du catalyseur et des précurseurs, leurs mécanismes réactionnels peuvent être plus ou moins complexes. Ils ont fait l’objet, de par le développement des procédés sol-gel, d’une littérature abondante et ont été bien décrits par les travaux de J. Livage et coll. [11] et dans le livre de C. J. Brinker et G.W. Scherer [12].
HAUT DE PAGE2.1.1 Aérogels issus de précurseurs ioniques
Ces précurseurs sont constitués d’un cation métallique et d’un contre-ion de type carbonate, nitrate, halogénure... Ils sont donc solubles dans l’eau et réagissent suivant des mécanismes chimiques qui font intervenir leurs différentes formes acido-basiques (H+, H2O, OH−). Lorsque le solvant utilisé pour la synthèse est l’eau, le gel est appelé aquagel.
HAUT DE PAGE2.1.1.1 Mécanismes réactionnels en phase aqueuse
Un...
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Les différentes familles de gel
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - FLORY (P.J.) - Gels and gelling processes - . Disc. Faraday Soc., 57, p. 7-18 (1974).
-
(2) - KISTLER (S.S.) - Coherent expanded aerogels and jellies - . Nature, 127, p. 741 (1931).
-
(3) - WOIGNIER (T.) - * - Thèse de l’université des Sciences et Techniques du Languedoc, Montpellier, France (1984).
-
(4) - FLORY (P.J.) - Principles of polymer chemistry (Les principes de la chimie des polymères) - . 1953 Cornell University Press, Ihaca, New York (1953).
-
(5) - STOCKMAYER (W.H.) - Theory of molecular size distribution and gel formation in branched-chain polymers - . J. Chem. Phys., 11, p. 45 (1943).
-
(6) - STOCKMAYER (W.H.) - Theory of molecular size distribution and gel formation in branched-chain polymers. II. General cross linking - . J. Chem. Phys., 12, p. 125-31 (1944).
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