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Theses Year : 2006

Synthesis and study of nanostructured cellulose acetate based materials for energy applications

Synthèse et étude de matériaux nanostructurés à base d'acétate de cellulose pour applications énergétiques

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Abstract

Nanostructured materials have unique properties (high exchange areas, containment effect...) because of their very low characteristic dimensions. The elaboration way set up in this PhD work consists in applying the classical processes for the preparation of aerogel-like materials (combining sol-gel synthesis and CO2 supercritical extraction) to cellulosic polymers. This work is divided in four parts: a literature review, the presentation and the study of the chemical synthesis that leads to cellulose acetate-based aerogel, the characterizations (chemical, structural and thermal) of the elaborated nanomaterials, and finally the study of the first carbons that were obtained after pyrolysis of the organic matrix. The formulations and the sol-gel protocol lead to chemical gels by crosslinking cellulose acetate using a polyfunctionnal isocyanate. The dry materials obtained after solvent extraction with supercritical CO2 are nanostructured and mainly mesoporous. Correlations between chemical synthesis parameters (reagent concentrations, crosslinking rate and degree of polymerisation) and porous properties (density, porosity, pore size distribution) were highlighted thanks to structural characterizations. An ultraporous reference aerogel, with a density equals to 0,245 g .cm-3 together with a mesoporous volume of 3,40 cm3 .g-1 was elaborated. Once in granular shape, this material has a thermal conductivity of 0,029 W .m-1 .K-1. In addition, carbon materials produced after pyrolysis of the organic matrix and after grinding are nanostructured and nanoporous, even if important structural modifications have occurred during the carbonisation process. The elaborated materials are evaluated for applications in relation with energy such as thermal insulation (organic aerogels) but also for energy conversion and storage through electrochemical way (carbon aerogels).
Les matériaux nanostructurés ont des propriétés remarquables (surfaces d'échanges élevées, effet de confinement...) issues de leurs très faibles dimensions caractéristiques. La démarche mise en place dans le cadre de ces travaux de thèse consiste à transposer les procédés classiques d'élaboration des matériaux nanostructurés de type aérogel (combinant synthèse sol-gel et extraction au CO2 supercritique) à des précurseurs cellulosiques. Le travail a été subdivisé en quatre parties qui portent respectivement sur une étude approfondie de la bibliographie, la mise au point et l'étude des formulations chimiques conduisant à des aérogels à partir d'acétate de cellulose, les caractérisations (chimiques, structurales et thermiques) des matériaux nanostructurés élaborés, et finalement l'étude des premiers carbones obtenus par pyrolyse des matrices organiques. Les formulations et le protocole sol-gel conduisent à des gels chimiques par réticulation de l'acétate de cellulose à l'aide d'un isocyanate polyfonctionnel. Les aérogels obtenus après extraction du solvant au CO2 supercritique sont nanostructurés et essentiellement mésoporeux. Les caractérisations structurales ont notamment permis de dégager des corrélations entre les paramètres chimiques de la synthèse (concentration en réactifs, taux de réticulation, degré de polymérisation) et les propriétés poreuses des matériaux (densité, porosité, distribution de taille des pores). Un aérogel ultraporeux de référence, avec une masse volumique égale à 0,245 g .cm-3 et un volume mésoporeux de 3,40 cm3 .g-1 a ainsi été élaboré. Une fois mis sous forme divisée, il présente une conductivité thermique de 0,029 W .m-1 .K-1. D'autre part, les carbones obtenus après pyrolyse du réseau solide organique puis broyage sont nanostructurés et nanoporeux, malgré les nombreuses modifications structurales intervenant lors de l'étape de carbonisation. Les matériaux élaborés dans le cadre de cette thèse sont caractérisés et évalués pour des applications liées à l'énergétique telles que l'isolation thermique (aérogels organiques) mais également pour le stockage et la conversion d'énergie par voie électrochimique (aérogels de carbone).
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pastel-00002212 , version 1 (10-05-2007)

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  • HAL Id : pastel-00002212 , version 1

Cite

Florent Fischer. Synthèse et étude de matériaux nanostructurés à base d'acétate de cellulose pour applications énergétiques. Sciences de l'ingénieur [physics]. École Nationale Supérieure des Mines de Paris, 2006. Français. ⟨NNT : 2006ENMP1420⟩. ⟨pastel-00002212⟩
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