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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Aspects chimiques de la polymérisation sol-gel
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1. Caractéristiques d’un gel
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Bien que le terme « gel » ait reçu de nombreuses définitions dans la littérature, il est généralement admis, notamment dans la « communauté sol-gel », que :
le gel est constitué d’un réseau d’oxyde gonflé par le solvant, avec des liaisons chimiques assurant la cohésion mécanique du matériau en lui donnant un caractère rigide, non déformable (un gel peut présenter un caractère élastique, mais pas de viscosité macroscopique).
Nous nous conformerons à cette définition dans la suite. Dans la plupart des cas, ce sont les liaisons chimiques covalentes qui sont à la base du réseau du gel (comme dans les gels de silice) [39], mais il arrive que ce réseau repose sur des liaisons chimiques plus faibles, comme des liaisons de coordination ou des liaisons hydrogène. La structure du gel peut changer avec le temps (c’est d’ailleurs généralement le cas), grâce à la création de nouvelles liaisons ou, au contraire, la destruction de liaisons, ou les deux à la fois : cependant, un certain nombre de liaisons est nécessaire pour maintenir le caractère « gel ».
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Avant que l’état de gel ne soit atteint, le système est dans l’état liquide : il est constitué d’un mélange d’oligomères colloïdaux et de petites macromolécules ainsi que, selon le degré d’avancement de la réaction de polymérisation, de différents monomères partiellement hydrolysés. Cette solution liquide est appelée « sol ».
Le temps nécessaire au « sol » pour se transformer en « gel » est appelé temps de gel (ou point de gel), et noté t g.
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Lorsque le gel vieillit, le phénomène de réticulation conduit au rétrécissement du matériau avec expulsion du solvant : on parle alors de « synérèse ». Indépendamment de la synérèse, il est possible de sécher le gel, soit en conditions atmosphériques, soit en conditions supercritiques. Dans les deux cas, on obtient un réseau plus ou moins dense sans solvant, appelé « xérogel » lorsque le séchage a lieu en conditions atmosphériques, et « aérogel »...
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Caractéristiques d’un 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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