Cellulose and Pectin Aerogels : Towards their nano-structuration
Aérogels à base de cellulose et de pectine : Vers leur nano-structuration
Résumé
The work aims at developing a new generation of bio-based aerogels, mechanically robust and thermally very insulating (super-insulating). Cellulose aerogels, called “aerocelluloses”, are known to be very porous and ultra-lightweight materials but present a wide range of pores and therefore moderate thermal insulating properties. We studied several approaches for tuning aerocellulose towards a finer and nanostructured morphology: modification of solvent, cellulose crosslinking and formation of cellulose-based hybrids. It was cellulose cross-linking that greatly improved aerocellulose structure towards a nano-structuration, reflected by the increase of specific surface area and the decrease of thermal conductivity, close to super-insulation (0.026 W.m-1.K-1). Another polysaccharide, pectin, was used for preparing a highly porous and very lightweight aerogel called “aeropectin”. Aeropectin and aerocellulose were compared; they present many similarities in their morphology. However, aeropectin has better thermal properties, reaching super-insulation (0.020 W.m-1.K-1). These bio-aerogels are 100% bio-based, environmentally friendly and present a high potential not only for thermal insulation but also for a broad range of other applications such as controlled drug release and catalysis. The formation of silica aerogel directly inside the porous structure of aeropectin increased the specific surface area up to 700 m²/g and decreased thermal conductivity (0.017 W.m-1.K-1).
Le but de ce travail de thèse est de développer des aérogels biosourcés, mécaniquement résistants et thermiquement très isolants (voire super-isolants). Les aérogels à base de cellulose, souvent appelés « aérocelluloses », sont connus pour être très poreux et extrêmement légers. Ils présentent en revanche une grande dispersion de tailles de pores, donnant de propriétés thermiques relativement modestes. Nous avons étudié plusieurs approches pour améliorer la morphologie des aérocelluloses: la modification du solvant, la réticulation chimique de la cellulose et la formation d'hybrides avec d'autres polymères. La réticulation de la cellulose a réellement permis d'affiner la structure poreuse de l'aérocellulose vers une nano-structuration ce qui a amélioré la conductivité thermique, s'approchant du domaine de la super-isolation (0.026 W.m-1.K-1). Un autre polysaccharide, la pectine, a été utilisé pour préparer un aérogel également poreux et très léger, « l'aéropectine ». L'aéropectine et l'aérocellulose présentent de fortes similitudes dans leur morphologie. Cependant, l'aéropectine possède de meilleures propriétés thermiques, super-isolantes (0.020 W.m-1.K-1), grâce à la nano-structuration du réseau poreux. Ces aérogels sont 100% biosourcés avec un faible impact environnemental, et sont très prometteurs non seulement pour l'isolation thermique mais également pour de nombreuses autres applications, telle que la libération contrôlée de médicaments ou la catalyse. La formation d'aérogel de silice à l'intérieur de la structure poreuse d'aéropectine a augmenté la surface spécifique jusqu'à 700 m2/g et a permis de diminuer la conductivité thermique (0.017 W.m-1.K-1).
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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