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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Texture des aérogels5. Monolithicité
Le réseau solide du gel obtenu par séchage supercritique n’a normalement pas été soumis à des contraintes. En conséquence, il doit conserver sa texture et être non fissuré. La monolithicité des gels n’est cependant pas garantie.
Rappelons qu’il existe des gels dits « gels physiques » dont la rigidité de la phase solide est assurée par des liaisons faibles (Van der Waals ou liaisons hydrogène). Une simple agitation entraîne une remise en solution du gel. Ces gels, dont la tenue mécanique fait souvent intervenir la nature du solvant, ne seront pas conservés monolithiques.
Les gels chimiques, formés de liaisons fortes covalentes ou ioniques, sont aptes à donner des aérogels monolithiques par séchage supercritique. Même dans ce cas, les paramètres du procédé doivent être adaptés à la texture et à la dimension des gels.
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Pour obtenir un aérogel monolithique dont la texture est proche de celle du gel de départ, on ajoute dans l’autoclave une quantité supplémentaire de liquide [68]. La figure 16 montre l’effet de l’élévation de température en fonction du volume spécifique vsp. Le volume spécifique se rapporte au volume par unité de masse du solvant, indépendamment de son état (liquide et vapeur).
À température ambiante TA, l’autoclave ayant un volume défini, si le remplissage est essentiellement assuré par une masse importante de liquide (point a), le volume spécifique est alors faible. L’élévation de température (et de pression) conduit au point
où l’ensemble se trouve à l’état liquide. La surface de séparation liquide - vapeur s’est déplacée vers le haut de l’autoclave. Pendant le chauffage, le gel est resté entièrement imbibé de solvant liquide. À plus haute température, le...
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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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