Influence des paramètres de synthèse sur la morphologie d'aérogels organiques

par Olivier Barbieri

Thèse de doctorat en Chimie

Sous la direction de Françoise Ehrburger-Dolle.

Soutenue en 2001

à Mulhouse .

mots clés

• Aérogels
• Chimie organique physique

Résumé

Des gels organiques resorcinol-formaldehyde ont été obtenus dans l'eau en présence d'un catalyseur basique (wb) et dans l'acétone en présence d'un catalyseur basique (ab) ou acide (aa). Le mécanisme de gélification a été suivi par diffusion quasi-élastique de la lumière (dls) et la texture des gels vieillis a été étudiée par diffusion des rayons x aux petits angles (saxs). Les gels wb et ab sont constitués d'un réseau de particules colloïdales formées par nucléation-croissance. Ces particules sont lisses pour les gels formes dans l'eau et ont une surface fractale dans l'acétone. Les gels aa (acétone/acide) sont eux constitues d'amas fractals de percolation. Pour la série aa l'échange acétone-co2 supercritique provoque un dégonflement du polymère à petite échelle conduisant à la formation de petites particules lisses. La quantité de solide dans la solution est le paramètre le plus influent sur la porosité de ces aérogels. La texture des gels wb n'est pas altérée par le séchage et la quantité de catalyseur détermine la taille des particules et des pores. La surface des particules des gels ab devient lisse après séchage, probablement à cause du dégonflement de la zone externe de ces particules lors de l'échange de solvant. La taille des particules ainsi obtenues est comparable à celle des pores mesurée par thermoporométrie, mais la texture semble indépendante des paramètres de synthèse. La pyrolyse ne modifie pas la morphologie générale du réseau des aérogels organiques aa, qui se contracte légèrement entrainant une diminution de la taille des pores. Pour la série wb, la taille et la polydispersite des particules diminuent légèrement, tandis que la taille des mesopores augmente. Le réseau des aérogels ab se contracte lors de la pyrolyse ce qui se traduit par une importante augmentation de la masse volumique. Enfin, tous les aérogels de carbone possèdent une importante microporosite qui n'est que partiellement accessible aux gaz utilisés pour les mesures d'adsorption.

Titre traduit

Influence of the synthesis parameters on the morphology of Organic aerogels

Résumé

Organic Resorcinol-Formaldehyde gels were obtained by polycondensation either in water using a basic catalyst (WB) or in acetone using a basic (AB) or acid catalyst (AA). By performing dynamic light scattering (DLS) measurements throughout the gelation process, and small-angle X-ray scattering measurements on the aged gels it has been shown that gelation of WB and AB gels involves a nucleation and growth mechanism of colloidal particles. These particles have a smooth surface in water solvent and have a fractal surface dimension in acetone solvent. Gels prepared with an acid catalyst consist of fractal percolation blobs. For the AA set, exchange of acetone by supercritical CO2 induces a deswelling of the polymer in a small scale range leading to the formation of small smooth particles. The mass percent of solid in the solution is the most influential parameter on the aerogel porosity. The structure of the WB gels remains unchanged after drying and the aerogel pores and particle sizes are controlled by the catalyst concentration in solution. After drying, the surface of AB gels particles is found to be smooth, probably as a consequence of deswelling of the external part of these particles during solvent exchange. The particle size is almost the same as the pore size measured by thermoporometry but the structure seems to be independent of the synthesis parameters. Pyrolysis has no effect on the general morphology of organic AA aerogels. The network undergoes slight shrinkage leading to a decrease of pore size. For the WB sample set, the particle size and polydispersity slightly decrease while the mesopore size increases. AB aerogels contract during pyrolysis, which appears as a large increase in mass per unit volume. Finally, all carbon aerogels display a significant microporosity that is partially accessible to the gas used in adsorption measurements.