Porous materials by aggregation and consolidation of hydrophobized silica suspensions
Elaboration de matériaux poreux par agrégation et consolidation de suspensions de silices hydrophobées
Résumé
Porous materials were synthesized by aggregation and consolidation of silica nanoparticles in water, followed by a drying step in which the silicic network experiences capillary forces. The collapse of the obtained structures, measured by small-angle X-ray scattering (SAXS) and mercury porosimetry, provides a characterization of the porous network's resistance towards applied pressure during drying. First, the aggregation process was triggered by the silica nanoparticles's hydrophobization in pure water with alkylalkoxysilanes. Increasing the grafting density allowed going from a dispersed system with a random close packing, to fractal structures whose packing defects are responsible for the remaining porosity. Second, an agglomeration of the pre-formed hydrophobic aggregates, performed by change of pH and ionic strength or by flocculant addition (cations Ca2+, poly(ethylene oxide)), was considered in order to create lower fractal dimension structures. It is shown that the nature of the bonds between the elementary silica particles affects the rearrangements under compression and, consequently, the remaining porosity. It appeared thus essential to include a further consolidation step at basic pH and high temperature, during which the particles are irreversibly fused by a dissolution-reprecipitation mechanism, in order to prevent the collapse under capillary forces during drying. Finally, the silica hydrophobization, initially performed to induce the aggregation in water, provided additional and beneficial damp-proof properties once the materials were dried. The inhibition of capillary condensation started at a grafting density of 1 grafter per nm² for all the considered precursors.
Nous présentons la synthèse de matériaux poreux par agrégation et consolidation de nanoparticules de silice en milieu aqueux, suivies d'une étape de séchage au cours de laquelle le réseau silicique est soumis aux forces capillaires. L'effondrement des structures formées, évalué par diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS) et par porosimétrie au mercure, nous a permis de caractériser la résistance du réseau poreux face aux pressions exercées durant le séchage. Dans un premier temps, l'agrégation a été déclenchée en milieu aqueux par hydrophobisation des particules de silice à l'aide d'alkylalcoxysilanes. Il en résulte, avec l'augmentation de la densité de greffage, le passage d'un système dispersé où la densité après séchage est maximale à un assemblage de structures fractales dont les défauts d'empilements laissent place à une porosité croissante. Dans un second temps, l'agglomération des pré-agrégats hydrophobes, par modification du pH et de la force ionique ou par ajout de floculants (cations Ca2+, poly(oxyde d'éthylène)) a été envisagée afin de former des structures de plus faible dimension fractale en suspension. Il est montré que la nature des contacts entre les particules élémentaires influence les réarrangements sous contrainte et donc la porosité résiduelle. Par ailleurs, une étape supplémentaire de consolidation, à pH basique et température élevée, a été mise en œuvre afin de fusionner les particules entre elles de façon irréversible par un mécanisme de dissolution-reprécipitation. Le but poursuivi est de bloquer efficacement l'effondrement. Enfin, l'hydrophobisation des silices, choisie comme voie de déstabilisation des particules en milieu aqueux, permet également d'apporter un caractère hydrofuge aux matériaux séchés. De fait, nous avons constaté une inhibition de la condensation capillaire dès 1 greffon par nm² pour les différents précurseurs envisagés.