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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Structure des aérogels6. Texture des aérogels
Les aérogels présentent, par rapport aux xérogels classiques, un volume poreux nettement plus important. Cependant, bien que leur surface spécifique soit grande, elle n’est pas très différente de celle du même gel séché de manière conventionnelle. La mesure des caractéristiques texturales des aérogels demande une bonne connaissance des modifications pouvant être induites par les techniques de mesure. Il faut en effet avoir toujours présentes à l’esprit les faibles valeurs des modules élastiques et la faible perméabilité des gels 3.1.
6.1 Densité et porosité
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Densité
La densité des aérogels est facilement obtenue par pesée d’échantillons monolithiques de dimensions connues.
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La densité des aérogels de silice peut varier entre 3 × 10−3 pour les plus légers à 9 × 10−1 pour les plus denses.
Les aérogels denses sont élaborés en minimisant la quantité de solvant. Le liquide est initialement hétérogène car les solvants utilisés, tétraméthoxysilane (TMOS) et H2O sont immiscibles. La technique consiste à disperser mécaniquement (agitation vigoureuse ou ultrasons) le TMOS dans l’eau d’hydrolyse. La solution devient homogène grâce à l’alcool libéré lors de l’étape d’hydrolyse et dans lequel les deux liquides TMOS et H2O sont miscibles.
Signalons que, quelquefois, la mesure du volume de l’aérogel se fait à l’aide d’un volumètre à mercure. Cette mesure n’est pas très précise et ne s’applique qu’à des échantillons relativement denses ne se déformant pas sous l’effet du poids de la colonne de mercure.
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Pour les aérogels organiques, la densité est habituellement de l’ordre de 0,1 à 0,2 [51]...
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Texture des aérogels
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - FLORY (P.J.) - Gels and gelling processes - . Disc. Faraday Soc., 57, p. 7-18 (1974).
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(2) - KISTLER (S.S.) - Coherent expanded aerogels and jellies - . Nature, 127, p. 741 (1931).
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(3) - WOIGNIER (T.) - * - Thèse de l’université des Sciences et Techniques du Languedoc, Montpellier, France (1984).
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(4) - FLORY (P.J.) - Principles of polymer chemistry (Les principes de la chimie des polymères) - . 1953 Cornell University Press, Ihaca, New York (1953).
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(5) - STOCKMAYER (W.H.) - Theory of molecular size distribution and gel formation in branched-chain polymers - . J. Chem. Phys., 11, p. 45 (1943).
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(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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