Bibliographie & annexes
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RÉSUMÉ
Cet article offre un tour d’horizon du principe du procédé sol-gel (encore nommé parfois « chimie douce »), il permet d’appréhender notamment la très grande possibilité de variation de la composition des gels. Les aspects chimiques de la polymérisation sol-gel sont exposés, avant de s’attarder sur les aspects physico-chimiques. Est ensuite exposé le cas des gels hybrides dans lesquels a été introduite une certaine quantité de substance organique. Pour finir, les principaux exemples d’applications de matériaux sol-gel sont présentés afin d’illustrer leur diversité.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Pierre AUDEBERT : Professeur
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Fabien MIOMANDRE : Maître de conférences - Laboratoire photochimie et photophysique supra et macromoléculaires, UMR CNRS 8531, École normale supérieure de Cachan
INTRODUCTION
La première polymérisation sol-gel a été réalisée par Ebelmen, qui décrivit dès 1845 « la conversion en verre solide de l’acide silicique exposé à l’air humide » [1]. Cependant, le commencement de la polymérisation sol-gel date des années 1930 avec l’utilisation pour la première fois, par la firme allemande Schott, d’un procédé sol-gel pour fabriquer des récipients en verre.
Le principe du procédé sol-gel, autrefois appelé « chimie douce », repose sur l’utilisation d’une succession de réactions d’hydrolyse-condensation, à température modérée, pour préparer des réseaux d’oxydes, qui peuvent être à leur tour traités thermiquement. La formation du réseau d’oxyde a lieu en solution à une température proche de l’ambiante. Il s’agit d’un processus de conversion en solution d’alcoxydes métalliques, tels que les alcoxydes de silicium, zirconium, aluminium, titane… Même s’il est possible d’utiliser d’autres dérivés que les alcoxydes (chlorures par exemple), ceux-ci sont de loin les plus employés du fait de leur réactivité modérée et de leur grande modularité. En effet, le choix du groupement alkyle permet de moduler la réactivité de l’alcoxyde en fonction des propriétés finales envisagées pour le matériau.
Comme nous le verrons dans cet article, la réactivité de l’alcoxyde dépend également beaucoup de la nature du métal (ou métalloïde), et il peut être nécessaire d’utiliser des additifs pour diminuer ou augmenter cette réactivité selon les cas. Nous allons notamment détailler les différents modes de catalyse et d’inhibition rencontrés dans les procédés sol-gel.
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Gels hybrides, structures diverses et applications
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3. Aspects physico-chimiques de la polymérisation sol-gel
Du point de vue physico-chimique, les changements susceptibles de se produire au cours de la polymérisation sont très importants, notamment les propriétés macroscopiques lors du passage du sol au gel, puis au gel vieilli et enfin au xérogel. Les propriétés concernées les plus marquantes sont bien sûr les propriétés mécaniques, mais également les propriétés optiques (variation de l’indice de réfraction), ou encore la conductance, la porosité, etc., cette dernière dépendant fortement de la nature du processus de synthèse.
En général, on peut résumer le processus de polymérisation sol-gel selon le schéma de la figure 4. La solution contenant les monomères conduit au sol qui gélifie ensuite pour donner un solide. Le gel évolue ensuite au cours du vieillissement, avant l’éventuelle évaporation du solvant conduisant au xérogel. Nous allons examiner successivement les phénomènes de gélification, vieillissement du gel et conversion en xérogel.
3.1 Gélification et structure du gel
La gélification se produit lorsque le sol se transforme en gel, c’est-à-dire lorsqu’un liquide devient solide ou, plus rigoureusement, lorsque la viscosité du milieu tend vers l’infini. Les sols sont des fluides viscoélastiques, dont la viscosité et l’élasticité augmentent avec la durée de polymérisation, comme indiqué sur la figure 5, dans le cas classique du TMOS [13]. On peut remarquer que, non seulement la viscosité devient infinie au point de gel, mais aussi que l’élasticité croît notablement au-delà de ce point.
La dépendance en température du temps de gel suit une loi de type Arrhenius :
mais ici l’énergie d’activation E a ne peut être...
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Aspects physico-chimiques de la polymérisation sol-gel
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - EBELMEN (M.) - * - Compt. Rend. Acad. Sci. 25, p. 854 (1847).
-
(2) - Sol-gel science - . Ed. C.J. Brinker and G.W. Scherer. Academic Press (1990).
-
(3) - Sol-gel science - . Academic Press Chapitre 3, p. 121 (1990).
-
(4) - LIVAGE (J.), HENRY (M.), SANCHEZ (C.) - * - Prog. Solid State Chem. 18, p. 259 (1988).
-
(5) - DEKSIBAR (J.C.) - * - J. Non Cryst. Solids. 87, p. 343 (1986).
-
(6) - LIVAGE (J.), SANCHEZ (C.) - * - J. Non Cryst. Solids. 145, 11 (1992).
-
(7) - PAPET (P.), LEBARS (N.), BAUMARD (J.F.), LECOMTE (A.), DAUGER (A.) - * - J....
ANNEXES
RAMMAL (A.) - Chimie sol-gel des alcoxydes de titane (IV) complexés par des ligands aromatiques - . Université Louis Pasteur de Strasbourg (2003).
ROYER (F.) - Étude et application des effets magnéto-optiques dans des couches minces sol-gel dopées à l’aide de nanoparticules magnétiques [Texte imprimé] - . Institut national polytechnique de Grenoble (2004).
FAILLET (M.) - Couches minces de TiO2-SiO2 élaborés par procédés sol-gel : rôle du dopant (Fe, Co, Sn) et du traitement thermique - . Université de Franche-Comté (2002).
DEVER (C.) - Élaboration par voie sol-gel non hydrolytique de catalyseurs métallocènes supportés sur silice : application à la polymérisation des oléfines - . Université de Bordeaux (2003).
LEQUÈVRE (F.) - Couches minces optiques sol-gel : élaboration, analyse et étude locale de l’environnement de l’ion erbium dopant - . Université Claude-Bernard de Lyon (2001).
DANTAS de MORAIS (T.) - Diodes électroluminescentes hybrides organique-inorganique élaborées par voie sol-gel - . École polytechnique (2000).
POPA (A.F.) - Préparation par voie sol-gel et caractérisation de matériaux catalytiques : étude de l’influence du séchage en conditions subcritiques et supercritiques - . Université de Poitiers (2002).
SANZ (N.) - Élaboration, caractérisation structurale et étude des propriétés optiques linéaires et non linéaires de nanocristaux organiques en matrice sol-gel - . Université Joseph-Fournier de Grenoble (2000).
RIVALLIN (M.) - Évolution de sols nanométriques d’oxyde de titane durant l’induction d’une précipitation de type sol-gel en réacteur à mélangeur rapide : Mesures granulométriques in-situ et modélisation - . École...
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