Synthèse et caractérisation d’aérogels composites à base de polysaccharides et de silice pour la superisolation thermique.

Synthesis and characterization of polysaccharide-silica composite aerogels for thermal superinsulation.

• Auteur / Autrice : Arnaud Demilecamps
• Direction : Tatiana Budtova, Arnaud Rigacci
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance le 07/07/2015
• Etablissement(s) : Paris, ENMP
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de mise en forme des matériaux (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes) - Centre Procédés, Énergies Renouvelables et Systèmes Énergétiques. Sophia-Antipolis
• Jury : Président / Présidente : Herbert Sixta
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Tatiana Budtova, Arnaud Rigacci, Matthias M. Koebel
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Irina Smirnova, Sylvie Callas-Etienne

Mots clés

Mots clés contrôlés

Isolants cellulosiques

Gel de silice

Aérogels

Composites

Matériaux

Isolation thermique

Mots clés libres

Aérogels

Cellulose

Silice

Composites

Superisolation thermique

Aerogels

Cellulose

Silica

Composites

Thermal superinsulation

Résumé

L'amélioration des propriétés des matériaux pour l'isolation thermique est un défi clé pour la réduction de la consommation énergétique et de l'émission de gaz à effets de serre. Cette thèse a pour objectif l'élaboration de matériaux composites nanostructurés, combinant les bonnes propriétés mécaniques des bio-aérogels avec les excellentes propriétés d'isolation thermique des aérogels de silice. Deux polysaccharides ont été étudiés comme source de bio-aérogels : la cellulose et la pectine. Deux stratégies pour l'élaboration des composites ont été considérées : un procédé « one-pot »; et l'imprégnation d'une matrice polysaccharide poreuse. Les aérogels composites ont été obtenus par séchage au CO2 supercritique. Alors que la méthode « one-pot » génère des particules de silice micrométriques au sein d'un réseau poreux, le procédé d'imprégnation a permis d'obtenir un réseau nanostructuré interpénétré. La surface spécifique atteint 700-800 cm².g-1, les propriétés mécaniques sont améliorées par rapport aux aérogels de silice et la conductivité thermique est réduite comparée à l'Aerocellulose pure. Utiliser une cellulose hydrophobisée chimiquement, la tritylcellulose, comme matrice d'imprégnation, a permis d'obtenir des composites hydrophobes ayant un angle de contact avec l'eau de 133° et des conductivités thermiques de 0.021-0.022 W.m-1.K-1. Les aérogels à base de pectine réticulée et leurs composites avec la silice présentent des densités extrêmement basses (0.05 g.cm3) et des conductivités thermiques de 0.013-0.022 W.m-1.K-1.

Improving the thermal insulation of materials is a key challenge to lower global energy consumption and greenhouse effect gas emissions in the coming decades. This thesis focuses on the preparation and characterization of nanostructured composite materials combining the good mechanical properties of bio-aerogels with the excellent thermal insulation properties of silica aerogels. Two polysaccharides were used to make bio-aerogels: cellulose and pectin. Two strategies aiming to elaborate composite materials were investigated: “one-pot” process and impregnation of a porous “wet” polysaccharide matrix by polyethoxydisiloxane. Drying with supercritical CO2 yields the composite aerogels. While the one-pot method gave micron-sized silica particles embedded in a porous cellulose network, impregnation process allowed obtaining a nanostructured interpenetrated network of cellulose and silica. The specific surface area was 700-800 cm².g-1, the mechanical properties improved as compared to neat silica aerogels and thermal conductivity lower than that of cellulose aerogels. Using a chemically hydrophobized cellulose, tritylcellulose, as the impregnation matrix, hydrophobic composites were obtained showing a contact angle with water of 133° and thermal conductivities of 0.021 W.m-1.K-1. Aerogels from cross-linked pectin and their composites with silica show extremely low densities (around 0.05 g/cm3 for the neat pectin aerogels) and thermal conductivities in the 0.013-0.022 W.m-1.K-1 range.