Bibliographie & annexes
Présentation
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RÉSUMÉ
Autrefois appelée « chimie douce », la polymérisation sol-gel a tout d’abord été décrite avec la conversion de l’acide silicique en verre solide, avant d’être utilisée beaucoup plus tard comme procédé pour fabriquer des récipients en verre. Le procédé sol-gel inclut une succession d’étapes hydrolytiques, avant la polymérisation, dans le but de préparer des réseaux d’oxydes. Ces derniers sont transformés en alcoxydes métalliques, retenus pour leur réactivité modérée et leur grande modularité. L’article détaille les changements physico-chimiques se produisant lors de la polymérisation, présente les différents types de gel, avant de citer quelques applications de matériaux sol-gel.
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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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Caractéristiques d’un gel
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5. Applications des matériaux sols-gels
Les applications des matériaux sols-gels sont nombreuses, et l’on se limitera ici aux principaux exemples. Comme la chimie sol-gel constitue une méthode « douce » d’élaboration des verres, la principale utilisation concerne la production de fines couches de verre de composition variée [29] [43]. Dans la synthèse classique des verres, les précurseurs doivent être fondus, et afin d’obtenir une bonne homogénéité des mélanges, des températures jusqu’à 1 400 ˚C sont fréquemment requises. Grâce au procédé sol-gel, du fait que le mélange est déjà réalisé à l’échelle moléculaire, des températures de l’ordre de 600 à 900 ˚C sont suffisantes, ce qui permet d’économiser de l’énergie. De plus, on peut obtenir des dépôts uniformes sans fusion. On peut ainsi préparer des verres à haut indice de réfraction à partir de mélanges d’alcoxydes de silicium et d’alcoxydes de titane ou zirconium, avec la capacité d’atteindre l’indice désiré par un ajustement précis de la composition du mélange [30]. Des fenêtres semi-transparentes de diverses couleurs (vert, or…) sont par exemple fabriquées de cette manière.
5.1 Fibres et couches minces
Une application déjà un peu ancienne, mais importante, du procédé sol-gel est la fabrication et l’enrobage de fibres de verre, pour réaliser par exemple des fibres optiques. Des xérogels peuvent être étirés sur des fibres, sous forme de dépôts, comme représenté sur la figure 8.
La fibre est simplement tirée lentement hors du sol, et la gélification se produit simultanément avec l’évaporation du solvant [29]. La conversion en xérogel a lieu généralement rapidement, étant donné que la couche de gel est très mince (quelques micromètres). Une étape de cuisson permet de passer au verre. Pour de telles applications, on utilise des verres de haut indice, à base de mélanges Si-Zr ou Si-Ti qui permettent de confiner la lumière et de la guider efficacement.
On peut aussi déposer en couches minces, parfois par trempage (dip-coating), mais plutôt...
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Applications des matériaux sols-gels
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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