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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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Les différentes familles de gel
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1. Rappel sur la formation des gels
1.1 Définition d’un gel et critère pour l’obtention d’un aérogel
Un gel est un système biphasique solide-liquide thermodynamiquement stable constitué d’un double réseau interpénétré continu tridimensionnel, l’un solide et le second liquide. Flory a proposé une classification des gels qui s’applique aussi bien aux gels organiques qu’aux gels inorganiques :
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gels lamellaires comme la mésophase et gels d’argile ;
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gels à liaison covalente de type polymérique ;
-
gels constitués par l’agrégation physique (cristallisation) de chaînes polymériques ;
-
gels particulaires constitués de particules de taille submicronique liées entre elles pour former un réseau poreux.
L’obtention d’un aérogel impose des contraintes sur les énergies de liaison qui assurent la cohésion du réseau solide. Elles doivent, en effet, être suffisamment élevées pour supporter les traitements de séchage supercritique que ce soit, par exemple, en présence de solvant classique (eau, éthanol, éther) ou, plus récemment (dès 1984 ) en présence de CO2. Cette contrainte est le critère limitatif qui fait que tout gel ne peut être transformé en aérogel. Les gels dits chimiques, dont la cohésion est assurée par des liaisons fortes, constituent donc a priori de meilleurs candidats que les gels dits physiques, dont la cohésion est assurée par des forces de Van der Waals, des liaisons hydrogène, des enchevêtrements de chaînes polymériques avec éventuellement des zones de cristallisation,...
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Rappel sur la formation des gels
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - FLORY (P.J.) - Gels and gelling processes - . Disc. Faraday Soc., 57, p. 7-18 (1974).
-
(2) - KISTLER (S.S.) - Coherent expanded aerogels and jellies - . Nature, 127, p. 741 (1931).
-
(3) - WOIGNIER (T.) - * - Thèse de l’université des Sciences et Techniques du Languedoc, Montpellier, France (1984).
-
(4) - FLORY (P.J.) - Principles of polymer chemistry (Les principes de la chimie des polymères) - . 1953 Cornell University Press, Ihaca, New York (1953).
-
(5) - STOCKMAYER (W.H.) - Theory of molecular size distribution and gel formation in branched-chain polymers - . J. Chem. Phys., 11, p. 45 (1943).
-
(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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