Chimie des géopolymères. Introduction

Les géopolymères sont la réciproque des polymères organiques. À la place de dérivés du pétrole et de la chaîne carbonée, on utilise de la matière minérale composée de silice et d'alumine. Cette géosynthèse permet de réaliser des matériaux pouvant remplacer certains plastiques, mais ils n'ont aucun solvant dangereux, ne brûlent pas et ne dégagent pas de gaz ni fumées toxiques. Comme une roche, ils résistent aux agressions chimiques et à l'érosion du temps. Les matières premières sont principalement des minéraux d'origine géologique, d'où le nom « géopolymère ». Les géopolymères peuvent être classés en deux grands groupes : les géopolymères entièrement inorganiques et les géopolymères contenant une certaine quantité d'organique. Au début de la recherche, les renseignements qui étaient à disposition étaient très succincts. Ils provenaient essentiellement de la minéralogie et de la cristallographie des argiles, notamment de la kaolinite. Il était difficile de prédire et de comprendre la réactivité chimique et le mécanisme de géopolymérisation en se basant sur la représentation structurale géométrique sous forme de tétraèdre, pentaèdre ou hexaèdre, encore couramment en usage dans de nombreuses publications. D'où la nécessité d'introduire une écriture mettant en avant les groupes réactionnels chimiques, essentiellement basée sur l'analogie avec la chimie des polysilicones.

Dans cet article, le géopolymère est essentiellement un composé chimique minéral ou un mélange de composés constitués de motifs, par exemple silico-oxyde (—Si—O—Si—O—), silico-aluminate (—Si—O—Al—O—), ferro-silico-aluminate (—Fe—O—Si—O—Al—O—) ou alumino-phosphate (—Al—O—P—O—), créés par un processus de géopolymérisation. Il permet la fabrication de matériaux employés dans les applications céramiques, les composites fibreux de haute technicité pour l'industrie automobile, l'aéronautique et la défense, les peintures et colles anti-feu sans solvant organique, en passant par les biomatériaux pour prothèses osseuses, et les nouveaux ciments écologiques sans dégagement de gaz à effet de serre CO₂ . Une nouvelle classe de matériaux hybrides à matrice organique et géopolymérique permet l'amélioration des propriétés mécaniques et physiques du géopolymère proprement dit. Le défaut des géopolymères est leur caractère céramique, c'est-à-dire leur manque d'élasticité. L'incorporation d'organique vise à améliorer cette propriété mécanique.

On distingue deux voies de synthèse :

• en milieu alcalin (Na⁺, K⁺, Li⁺, Ca²⁺, Cs²⁺, etc.), souvent confondu avec la simple activation alcaline des ciments ;

• en milieu acide avec de l'acide phosphorique et les acides humiques.

La voie alcaline est la plus importante en termes de R, d'innovation et d'applications commerciales et est celle décrite dans cet article.

La microstructure de la matrice géopolymère étant essentiellement amorphe, la diffraction aux rayons X n'est pas d'une grande utilité. Par contre, la spectroscopie RMN fournit les informations nécessaires pour la compréhension de la structure moléculaire et du caractère polymérique. Dans cet article, nous portons l'intérêt sur la réactivité du minéral qui fut à l'origine de la découverte des géopolymères en 1976, à savoir la kaolinite calcinée, ou métakaolinite, dénommée métakaolin ou MK-750 pour indiquer la température de calcination de 750 ^oC. Cette matière première est exempte d'impureté et permet ainsi une analyse plus simple du mécanisme de géopolymérisation alcaline.