Elaboration de mousses de géopolymère à morphologie contrôlée

Elaboration de mousses de géopolymère à morphologie contrôlée

Matériaux utilisés

Source d’aluminium :
Il existe plusieurs sources d’aluminium utilisables pour la fabrication de géopolymère. Il peut s’agir de sources naturelles, comme les argiles, ou de sources industrielles issues des déchets de l’industrie, comme les cendres volantes ou les laitiers de hauts fourneaux [27], [53], [54]. Dans cette étude nous avons choisi de travailler avec du Métakaolin (MK) pour sa simplicité chimique. En effet il est très réactif et contient peu d’impuretés. Il est aussi très abondant dans la nature et largement étudié. Le métakaolin (MK) utilisé est l’Argical M 1200s, fourni par AGS Minéraux (France). Il est issu de la calcination flash d’une argile kaolinique du bassin des Charentes. Comme indiqué par le fournisseur, sa surface spécifique (BET) est de 19 m2/g, son diamètre moyen en masse est dp ≈ 2 µm, et sa masse volumique est 2,2 kg/m3.

Solution basique:
Le second réactif est une solution de silicate de sodium. Elle est obtenue en diluant une solution commerciale de silicate de sodium dans une solution d’hydroxyde de sodium. La solution commerciale de silicate de sodium est fournie par MERCK KGaA, ses composants chimiques sont les suivants : Na2O à 8%m et SiO2 à 27%m. La solution d’hydroxyde de sodium (NaOH) est obtenue en dissolvant des pastilles de NaOH dans de l’eau à une concentration massique de 35%m. On laisse reposer le mélange pendant 24h au minimum avant utilisation.

Pâte de géopolymère / suspension de métakaolin :
Les pâtes de géopolymère sont fabriquées par le gâchage d’une masse ??? de métakaolin avec une masse ?? de la solution basique, à 100 rpm pendant 5min à l’aide d’un agitateur mécanique. On obtient alors une suspension de métakaolin, où le silicate de sodium est le liquide suspendant. La composition de la suspension est caractérisée soit par le rapport ?/? = ??/???, soit par sa fraction volumique en particules .

Prise de la pâte de géopolymère 

L’étude de l’évolution du module élastique G’ de la pâte de géopolymère au cours du temps permet de suivre la cinétique de la prise du géopolymère . Pour une pâte caractérisée par L/S=2,0 et maintenue à 21°C, on constate une première augmentation rapide de G’, suivie d’une augmentation beaucoup plus lente qui dure quelques heures (phase d’induction), puis une augmentation très marquée qui correspond au début de la période de phase de polycondensation et qui s’accompagne du durcissement du matériau. La prise survient donc après 2,8h du début mélange entre le métakaolin et la solution basique, pris comme origine du temps.

Méthodes

Stabilité des tensioactifs dans la solution basique

La méthode envisagée pour la production des mousses de géopolymère consiste à incorporer une mousse aqueuse à la pâte de géopolymère. Contrairement aux techniques de moussage mécanique ou chimique, l’ajout d’une mousse précurseur permet de contrôler la morphologie du matériau moussé, à condition que celle-ci soit préservée au cours du temps, jusqu’au durcissement du matériau. L’efficacité de cette méthode repose fortement sur la capacité du tensioactif à jouer son rôle dans les conditions chimiques imposées par la solution basique.

Nous avons étudié la moussabilité et la stabilité de la mousse obtenue à partir de quelques tensioactifs  dans la solution basique, i.e. (i) leur capacité à produire un volume de mousse dans ce milieu, et (ii) la stabilité de la mousse générée au cours du temps. Pour ce faire, le tensioactif est dilué dans 5g d’eau puis mélangé à 5g de solution de silicate de sodium. Le mélange de 8,6 ml est alors mis dans un tube de 50ml, que l’on ferme et que l’on agite manuellement pendant 20s. La quantité de tensioactif est choisie de sorte que sa concentration finale soit supérieure à 10 fois sa CMC (dans l’eau). Enfin, nous mesurons à plusieurs instants le volume de mousse générée.

Fabrication de mousses de géopolymère de façon contrôlée

Les mousses de suspensions de métakaolin (MK) sont réalisées en mélangeant une mousse aqueuse précurseur monodisperse à la suspension de métakaolin. La mousse aqueuse est faite à partir d’une solution de tensioactif dilué dans l’eau, à une concentration égale à 10 × ???. Ce procédé se fait en deux étapes : (1) Des bulles de même taille sont générées à l’aide d’une jonction en T , puis elles sont collectées dans une colonne remplie partiellement par la solution moussante, jusqu’à l’obtention du volume nécessaire de mousse. L’imbibition par le haut avec la même solution moussante permet de contrôler la fraction de gaz dans toute la mousse produite; (2) une fois que la mousse a rempli la colonne, elle est injectée en continu avec le géopolymère dans un mélangeur en ligne, puis déversée dans un récipient. Ce mélangeur est conçu de telle sorte, qu’aux faibles débits utilisés, les bulles de la mousse aqueuse sont conservées.

Les bulles générées sont collectées continument dans une colonne verticale en verre de diamètre interne 26 mm. L’excès de liquide provenant de la génération et résultant du drainage de la mousse, nommé ?? , est récupéré par un système de trop plein en bas de la colonne. On mesure alors le diamètre moyen des bulles en utilisant une caméra focalisée sur la paroi de la colonne. Les mousses cristallisées présentent un assemblage hexagonal sur la paroi, ce qui rend facile la mesure de la distance entre deux côtés opposés .

Pour maintenir sa stabilité, la mousse aqueuse est « humidifiée » en continu par le haut avec la solution moussante, avec à un petit débit ?? de l’ordre du dixième de ??. Le contrôle du débit d’imbibition permet de contrôler la fraction volumique du gaz ?0 de la mousse générée. En s’appuyant sur des simulations numériques faites à partir de la loi de Darcy appliquée aux mousses aqueuses, telles que celles présentées dans [56], on peut prédire correctement le débit d’imbibition nécessaire pour atteindre une fraction liquide cible dans la mousse. Cette fraction est de toute façon vérifiée lors des expériences, par pesée de la mousse produite. Ainsi, les mousses générées ont une fraction volumique de gaz ajustée entre 0,98 à 0,99.

Les mousses à taille de bulles ?? ≳ 500 ?? ne subissent pas de murissement significatif pendant la durée nécessaire à la production, contrairement aux mousses de plus petite taille. La production des petites bulles prend plus de temps et leur murissement est plus rapide [13]. En effet, plus les bulles d’une mousse sont petites, plus la pression capillaire, qui rappelons-le est le moteur du murissement, est grande. Pour ralentir la cinétique de ce mécanisme, nous utilisons du perfluorohexane (C6F14), gaz très peu soluble dans l’eau, à vapeur saturante dans le gaz de moussage [13], [57]. Sans entrer dans les détails, l’écart entre les vitesses de transfert de l’azote et du perfluorohexane engendre une pression osmotique s’opposant à la pression capillaire.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1
1. ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE
1.1. INTRODUCTION
1.2. LES MOUSSES AQUEUSES
1.2.1. La tension de surface
1.2.2. La loi de Laplace
1.2.3. Les tensioactifs
1.2.4. La structure des mousses aqueuses
1.2.5. La stabilité des mousses
1.2.5.1. Le drainage
1.2.5.2. Le mûrissement
1.2.5.3. La coalescence
1.2.6. Les mousses de fluides complexes
1.3. LE GEOPOLYMERE
1.3.1. Structure du géopolymère
1.3.2. Mécanismes de la géopolymérisation
1.3.3. Influence des ratios
1.4. CONCLUSION
CHAPITRE 2
2. ELABORATION DE MOUSSES DE GEOPOLYMERE A MORPHOLOGIE CONTROLEE
2.1. INTRODUCTION
2.2. MATERIAUX UTILISES
2.2.1. Source d’aluminium
2.2.2. Solution basique
2.2.3. Pâte de géopolymère / suspension de métakaolin
2.2.4. Tensioactifs
2.3. METHODES
2.3.1. Stabilité des tensioactifs dans la solution basique
2.3.2. Fabrication de mousses de géopolymère de façon contrôlée
2.3.2.1. Etape 1- production de la mousse précurseur
2.3.2.2. Etape 2 – mélange de la mousse précurseur à la suspension de MK
2.3.3. Suivi du vieillissement des mousses de métakaolin à l’état frais
2.3.4. Rhéométrie
2.3.4.1. Matériel utilisé
2.3.4.2. Séquences de mesures
2.4. CHOIX DU TENSIOACTIF
2.4.1. Stabilité du tensioactif dans la solution de silicate de sodium
2.4.2. Effet des tensioactifs sur la rhéologie des suspensions de métakaolin
2.4.3. Production de mousses de suspension de métakaolin
2.5. ETUDE DU DRAINAGE DES MOUSSES DE SUSPENSIONS DE METAKAOLIN
2.5.1. Vitesse de drainage
2.5.2. Paramètre de confinement ?
2.5.3. Viscosité effective
2.5.4. Renforcement mécanique des mousses de suspensions de métakaolin
2.5.4.1 Effet sur le module élastique
2.5.4.2. Effet sur la contrainte seuil
2.6. MORPHOLOGIE DES MOUSSES SOLIDES DE SUSPENSIONS DE METAKAOLIN
2.6.1. Détection du drainage
2.6.2. Morphologie des mousses solides
2.6.3. Caractérisation de la morphologie : tailles de pores et d’ouvertures
2.7. CONCLUSION
CHAPITRE 3
3. SUIVI DE LA CINETIQUE DE LA GEOPOLYMERISATION DES MOUSSES DE METAKAOLIN : SUIVI PAR RMN DU PROTON
3.1. INTRODUCTION
3.2. MATERIAUX UTILISES
3.2.1. Pâtes de géopolymère
3.2.2. Mousses de géopolymère
3.3. METHODES
3.3.1. 1H RMN
3.3.1.1. Principe général de la Résonance Magnétique Nucléaire du proton
3.3.1.2. Séquence de mesures
3.3.1.3. Protocoles de mesure
3.3.2. Ultrasons
3.3.2.1. Dispositif expérimental
3.3.2.2. Principe de la méthode
3.3.3. Rhéométrie oscillatoire
3.4. DETERMINATION DE TEMPS CARACTERISTIQUES
3.4.1. Suivi de la cinétique de prise par rhéométrie oscillatoire
3.4.2. Suivi de la cinétique de prise par ultrasons
3.4.3. Suivi de la cinétique de prise par RMN du proton
3.5. DISCUSSION ET COMPARAISON DES RESULTATS
3.5.1. Aux temps courts
3.5.2. L’eau libérée
3.5.3. Aux temps longs
3.5.4. Influence de la composition chimique sur la cinétique de géopolymérisation
3.6. CINETIQUE DE LA PRISE DES MOUSSES DE GEOPOLYMERE
3.7. CONCLUSION
CONCLUSION

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