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08 nov
08/11/2019 14:00

Sciences & Société

Soutenance de thèse : Bruno CHAL

Vieillissement thermohygrique de silices nanostructurées, vers une compréhension des mécanismes

Doctorant : Bruno CHAL

Laboratoire INSA : MATEIS
Ecole doctorale : ED34 Matériaux de Lyon

La réduction des émissions de gaz à effet de serre et de la consommation énergétique nécessite de promouvoir l’efficacité énergétique des bâtiments, premier secteur de dépense en France (40%). Les objectifs fixés par le récent plan climat prévoient de rénover thermiquement 500 000 logements par an pour réhabiliter l’ensemble du parc immobilier à
l’horizon 2050. Les super-isolants thermiques (SIM), avec une conductivité thermique entre 4 et 20 mW.m-1.K-1,
permettent une isolation efficace à moindre épaisseur, et offrent plus de liberté architecturale. Toutes les configurations superisolantes (Panneaux isolants sous vides (PIV), superisolants à pression atmosphérique (SIPA)) s’appuient sur des matériaux nanostructurés et majoritairement sur des silices, permettant de réduire drastiquement la conduction gazeuse (loi de Knudsen) et squelettique. Leurs caractéristiques structurelles et texturales (porosité > 92 %, nanopores, 200 m²/g < Surface Spécifique < 850 m²/g) mais aussi chimiques (différents groupes en surface : silanols SiOH, siloxanes SiOSi, hydrophobants SiR) pilotent leur efficacité thermique mais ouvrent aussi la voie à des évolutions en cas d’exposition à des conditions sévères couplées (Température et Humidité relative).
La compréhension des phénomènes physico-chimiques mis en jeu dans leur vieillissement est donc nécessaire, c’est l’objet de cette thèse menée sur un ensemble de matériaux commerciaux (pulvérulents ou aerogels). L’approche originale proposée dans ces travaux couplent des techniques locales, multi-échelles et globales (sorption de gaz, porosimétrie mercure, MET, tomographie aux électrons, SANS, FTIR, ATG…) et repose sur différentes conditions de vieillissement destinées à discriminer les mécanismes moteurs. L’emploi des diverses techniques a nécessité un travail d’adaptation préliminaire et des études paramétriques afin de répondre aux exigences et aux spécificités propres à la silice amorphe nanostructurée (porosité importante, sensibilité…). La tomographie électronique permet de visualiser les particules élémentaires et les connexions dans un agglomérat. Le vieillissement est ainsi sondé de la particule élémentaire jusqu’à l’agglomérat, et retranscrit avec des indicateurs matériaux usuels.
Cette démarche permet de démontrer que des modifications dans la chimie de surface (hydrolyse de siloxanes, condensation de silanols…) accompagnent des modifications de texture et de structure (réduction de la surface spécifique, décalage de la distribution de taille de pore…). Selon le type de silice ou d’aérogel étudié, la typologie et l’intensité de ces évolutions varient et des mécanismes plus spécifiques peuvent être mis en jeu. L’un des principaux mécanismes identifiés implique un déplacement de matière en surface, notamment rendu possible par la physisorption d’eau servant de media (dissolution/précipitation). Des forces capillaires à l’échelle nanométrique sont mises en évidence par des
techniques couplées. Des mesures thermiques confirment le maintien de l’efficacité thermique pour des produits.
Ce travail de fond sur les mécanismes apporte une base de connaissance permettant de gagner en visibilité, donc en confiance, sur le devenir des superisolant et d’adapter leur formulation à leur utilisation. Les résultats acquis au cours de cette thèse pourront également implémenter des modélisations et des outils de simulation.