Élaboration de mousses minérales solides, isolantes et réfractaires : mise au point du procédé de fabrication, analyse de la structure et des propriétés mécaniques

Elaboration of solid, insulating and refractory mineral foams : development of the manufacturing process, analysis of structure and mechanical properties

• Auteur / Autrice : Mathieu Marechal
• Direction : Gérard Cuvelier, Catherine Bonazzi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 19/12/2019
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Agriculture, alimentation, biologie, environnement, santé (Paris ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Ingénierie Procédés Aliments (2009-2019)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : AgroParisTech (France ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Denis Flick
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Denis Flick, Christophe Vial, Guy Della Valle, Frédérique Giorgiutti-Dauphiné, Estefania Del Campo Estrada
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Vial, Guy Della Valle

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse

Rhéologie

Innovation

Isolation thermique

Recherche

Génie industriel

Mots clés libres

Solide poreux

Foisonnement

Analyses multi-Échelle

Tomographie à rayons X

Propriétés mécaniques

Céramique

Porous solid

Foaming

Multiscale analysis

X-rays tomography

Mechanical properties

Ceramic

Résumé

Il existe de nombreux isolants thermiques sur le marché mondial mais aucun ne garantit une efficacité d’isolation à faible et haute température (> 1000°C) en étant à la fois léger, rigide, sain et durable. IPSIIS développe des mousses minérales isolantes et réfractaires qui répondent aux enjeux de la protection incendie, du risque feu et de l’isolation thermique dans l’industrie et le bâtiment. Les mousses IPSIIS valorisent des ressources naturelles et matériaux recyclés (briques, verre, ardoise, argile…), et grâce leur faible masse volumique (produit standard à 300 kg.m-3) elles présentent des contenus énergétiques faibles < 150 kWh.m-3.Le procédé de fabrication se déroule en plusieurs étapes. Les poudres minérales de granulométrie adaptée sont tout d’abord mélangées avec les autres ingrédients (agents moussants, agent de cohésion et épaississant) afin d’obtenir une suspension aqueuse minérale. Cette suspension est foisonnée avec un mélangeur continu pour donner la mousse humide qui sera séchée et solidifiée à basse température pour former la mousse solide. Cette dernière, après une cuisson avoisinant les 1000 °C, se transforme en mousse céramique.Le produit est aujourd'hui développé au stade pilote. L’objet du travail de thèse est de mieux décrire et comprendre les différentes étapes de l’élaboration d’un matériau nouveau par sa constitution et par son procédé d’élaboration, d’en caractériser la structure fine et les propriétés. Trois axes de recherche ont été retenus. Le premier, porte sur la formulation de la mousse humide et l'étude de son comportement jusqu’à sa solidification, en particulier de façon à préserver son homogénéité globale. Le deuxième axe traite de la mousse solide et des méthodes de caractérisations développées pour connaitre sa microstructure et ses propriétés mécaniques. Enfin le troisième axe se focalise sur les effets associés à l’étape de cuisson du matériau en comparant la mousse solide et la mousse céramisée. Les connaissances ainsi acquises sur les mécanismes intervenant dans la formulation et la fabrication des mousses permettent une meilleure maîtrise de leur procédé d’élaboration. Elles contribueront au développement et à l’optimisation de la fabrication du produit à l’échelle industrielle.

There are many thermal insulators on the world market but none guarantee low and high temperature (> 1000°C) insulation efficiency by being light, rigid, healthy and durable. IPSIIS develops insulating and refractory mineral foams that meet the challenges of fire protection, fire risk and thermal insulation in industry and building sector. IPSIIS foams use natural resources and recycled materials (bricks, glass, slate, clay...), and thanks to their low density (standard product at 300 kg.m-3) they have low energy contents < 150 kWh.m-3.The manufacturing process takes place in several steps. Mineral powders of suitable particle size are first mixed with the other ingredients (foaming agents, cohesion agent and thickener) to obtain an aqueous mineral suspension. This suspension is foamed with a continuous mixer to give the wet foam which will be dried and solidified at low temperature to form the solid foam. After sintering at around 1000°C, the latter is transformed into ceramic foam.The product is now being developed at the pilot stage. The purpose of the thesis work is to better describe and understand the different steps of the production of a new material by its constitution and by its elaboration process, to characterize its fine structure and properties. Three axes of research have been selected. The first, concerns the formulation of wet foam and the study of its behaviour until it solidifies, in particular in order to preserve its overall homogeneity. The second axis deals with solid foam and the characterization methods developed to understand its microstructure and mechanical properties. Finally, the third axis focuses on the effects associated with the sintering step of the material by comparing solid foam and ceramic foam. The knowledge thus acquired on the mechanisms involved in the formulation and manufacture of foams allows a better control of their elaboration process. They will contribute to the development and optimization of product manufacturing on an industrial scale.