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RÉSUMÉ
L'aérogel, sommairement décrit comme une fumée figée, est issu d'un mode singulier de synthèse de solide. Il est également le produit d’un mode inusuel de séchage. Cet article décrit le principes de la formation des gels, les différents types de gel, puis il présente les procédés d'obtention des aérogels. Enfin la problématique de la monolithicité de l'aérogel est abordée.
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Lire l’articleAuteur(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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Méthodes d’obtention des aérogels
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3. Extraction du solvant
Le gel est un milieu biphasé où le liquide occupe la majeure partie du volume. La partie solide, en raison de sa faible fraction volumique (communément de l’ordre de 10 %), présente des propriétés élastiques très faibles. Typiquement, le module d’Young de la partie solide d’un gel de silice de 0,2 g/cm3 de masse volumique est de 20 MPa. De très faibles contraintes induisent des déformations de grande amplitude aisément observables. La rupture de la partie solide du gel survient pour des déformations supérieures à 0,5 %, ce qui, pour des matériaux fragiles, reste très élevé (tableau 13). D’autre part, la partie solide est habituellement très réactive en raison des groupes réactifs toujours présents à sa surface. De ce fait, toute déformation du squelette solide peut entraîner une réaction entre les chaînes de solide si celles-ci viennent au contact.
L’extraction du solvant peut entraîner des modifications dimensionnelles notables du solide. Une extraction correctement réalisée devra permettre l’élimination du solvant sans pour autant modifier le réseau solide. Dans un gel, les pores sont totalement interconnectés et débouchent à la surface. L’extraction totale du solvant est donc réalisable.
3.1 Interactions liquide / milieu poreux
L’extraction du solvant a pour conséquence d’entraîner des interactions majeures entre le liquide et le solide poreux.
HAUT DE PAGE
Lors d’un séchage classique, le liquide s’évapore à partir de la surface. Une pellicule de liquide de faible épaisseur reste à la surface du solide tandis que le liquide contenu dans les pores commence à s’évaporer (figure 8). Le rayon de courbure du liquide à la surface des pores diminue. Cette courbure (figure 9) entraîne l’apparition d’une différence de pression dont l’intensité Δp est donnée par la loi de Laplace :
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BIBLIOGRAPHIE
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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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