Elaboration and characterization of silica and polyurethane based thermal superinsulating hybrid aerogels - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2014

Elaboration and characterization of silica and polyurethane based thermal superinsulating hybrid aerogels

Élaboration et caractérisation d'aérogels superisolants thermiques hybrides à base de silice et de polyuréthane

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Abstract

Aerogels are light and mesoporous materials that appear very promising in terms of thermal insulation. They could play a great part in the future in the reduction of thermal losses through building and appliances envelopes. In this context, the goal of this thesis work is the development of a material combining a very low thermal conductivity and mechanical properties that are compatible with a use in this application sector, via an organic-inorganic hybridization process between a superinsulating - but fragile - silica aerogel, and a very insulating polyurethane aerogel with higher resistance to mechanical stress. In the first part, high performance silica and polyurethane aerogels have each been synthetized via a sol-gel route in mild conditions and in a reaction medium mainly consisting in acetonitrile, then dried in supercritical CO2, and characterized in terms of structure, morphology, texture, thermal conductivity and uniaxial compression. A work on the polyurethane aerogel formulation led to improved thermo-mechanical compromise (thermal conductivity 0.018 W.m-1.K-1, elastic modulus 7.8 MPa) . The mineral and organic matrixes were then coupled, at first in the form of composites (0.018 W.m-1.K-1, 6.1 MPa) based on a dry granular silica aerogel bead. An hybridization process was implemented between the silica and polyurethane phases, that included two successive steps of functionalization of the silica matrix (co-condensation followed by surface grafting and controlled growth of a secondary organic network). The obtained hybrid study was initiated via SEM and XPS analysis and showed a good cohesion at the interface between the polyurethane and the modified silica matrixes.
Les aérogels sont des matériaux légers et mésoporeux très prometteurs en termes d'isolation thermique. Il est vraisemblable qu'ils ont un rôle majeur à jouer dans la réduction des déperditions thermiques à travers les enveloppes de bâtiment et celles des équipements électrodomestiques. Dans ce contexte, l'objectif de ce travail de thèse est de développer un matériau conciliant une conductivité thermique très faible et des propriétés mécaniques compatibles avec une utilisation dans ce secteur applicatif, via un procédé d'hybridation organique-inorganique entre un aérogel de silice superisolant mais fragile et un aérogel de polyuréthane, également très isolant mais plus résistant aux sollicitations mécaniques. Dans une première partie, des aérogels de silice et de polyuréthane très performants ont été chacun élaboré par voie sol-gel en conditions douces dans un milieu réactionnel composé principalement d'acétonitrile, puis séchés au CO2 supercritique et caractérisés en termes de structure, morphologie, texture, conductivité thermique et compression uniaxiale. Un travail sur la formulation de l'aérogel de polyuréthane a permis d'atteindre un compromis thermo-mécanique très satisfaisant (conductivité thermique de 0,018 W.m-1.K-1, module élastique de 7,8 MPa) . Les matrices minérales et organiques ont ensuite été couplées, tout d'abord sous forme de composites (0,018 W.m-1.K-1, 6,1 MPa) à partir d'un lit granulaire de silice sèche. Un procédé d'hybridation a été mis en œuvre entre les matrices de silice et de polyuréthane, comportant deux étapes successives de fonctionnalisation de la matrice de silice (co-condensation puis greffage de surface et croissance contrôlée d'un réseau organique secondaire). L'étude de l'hybride obtenu par des observations MEB et XPS a été initiée et a montré l'existence d'une interface présentant une forte cohésion entre les deux matrices.
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Dates and versions

tel-01151554 , version 1 (13-05-2015)

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  • HAL Id : tel-01151554 , version 1

Cite

Noémie Diascorn. Élaboration et caractérisation d'aérogels superisolants thermiques hybrides à base de silice et de polyuréthane. Thermique [physics.class-ph]. Ecole Nationale Supérieure des Mines de Paris, 2014. Français. ⟨NNT : 2014ENMP0079⟩. ⟨tel-01151554⟩
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