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LE VERRE
procédé sol-gel on enchaîne des unités monomères [SiO 4 ] pour construire
le réseau désordonné de la silice vitreuse [5–11].
Il faut, pour commencer, disposer d’un précurseur moléculaire, c’està-dire d’un composé dont la molécule contient un silicium entouré d’oxygènes dans une configuration tétraédrique. Cette molécule constitue la
« brique » du futur réseau. Les substances les plus employées sont des
alcoxydes de silicium : le tétraéthylorthosilicate Si(OC 2 H 5 ) 4 et le tétraméthylorthosilicate Si(OCH 3 ) 4 , qu’on dissout dans l’alcool. On ajoute progressivement de l’eau à la solution. Il en résulte la substitution graduelle
des groupes OR (où R est le radical alkyl) par des OH :
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— Si — OR + H 2 O → — Si — OH + ROH
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À la suite de cette hydrolyse a lieu une phase de condensation car les
fonctions réactives Si—OH produisent des liaisons siloxanes Si—O—Si
en réagissant, soit entre elles :
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— Si — OH + HO — Si — → — Si — O — Si — + H 2 O
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soit avec un groupe OR :
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— Si — OR + HO — Si — → — Si — O — Si — ROH.
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Ces réactions, qui ont lieu à la température ambiante, provoquent l’accroissement continu de la viscosité de la solution. Celle-ci passe progressivement à l’état de « sol », c’est-à-dire d’une dispersion colloïdale d’oligomères, puis à l’état de « gel », réseau tridimensionnel de molécules dans
les pores duquel le solvant et les produits des réactions sont emprisonnés
(Fig. A4.2).
L’étape suivante du procédé consiste à sécher le gel par chauffage,
c’est-à-dire à évaporer la phase liquide retenue dans ses pores [5]. Cette
opération est délicate lorsque le volume du gel est important car, dès qu’il
existe des interfaces liquide-gaz, il apparaît des forces capillaires d’autant
plus élevées que les pores sont étroits. Il en résulte des contraintes provoquant des fissurations du gel. On aboutit à la fin du séchage à une
poudre de silice, si la montée en température n’a pas été extrêmement
lente. Pour garder au gel son intégrité, on peut adopter des conditions de
température et pression hypercritiques pour le solvant, de telle sorte qu’il
n’y ait plus d’interfaces liquide-gaz et donc plus de pression capillaire [6].
À la suite de l’opération de séchage, on obtient un aérogel, substance
très fragile et très légère dont la masse volumique est de l’ordre de
LE VERRE
procédé sol-gel on enchaîne des unités monomères [SiO 4 ] pour construire
le réseau désordonné de la silice vitreuse [5–11].
Il faut, pour commencer, disposer d’un précurseur moléculaire, c’està-dire d’un composé dont la molécule contient un silicium entouré d’oxygènes dans une configuration tétraédrique. Cette molécule constitue la
« brique » du futur réseau. Les substances les plus employées sont des
alcoxydes de silicium : le tétraéthylorthosilicate Si(OC 2 H 5 ) 4 et le tétraméthylorthosilicate Si(OCH 3 ) 4 , qu’on dissout dans l’alcool. On ajoute progressivement de l’eau à la solution. Il en résulte la substitution graduelle
des groupes OR (où R est le radical alkyl) par des OH :
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— Si — OR + H 2 O → — Si — OH + ROH
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À la suite de cette hydrolyse a lieu une phase de condensation car les
fonctions réactives Si—OH produisent des liaisons siloxanes Si—O—Si
en réagissant, soit entre elles :
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— Si — OH + HO — Si — → — Si — O — Si — + H 2 O
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soit avec un groupe OR :
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— Si — OR + HO — Si — → — Si — O — Si — ROH.
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Ces réactions, qui ont lieu à la température ambiante, provoquent l’accroissement continu de la viscosité de la solution. Celle-ci passe progressivement à l’état de « sol », c’est-à-dire d’une dispersion colloïdale d’oligomères, puis à l’état de « gel », réseau tridimensionnel de molécules dans
les pores duquel le solvant et les produits des réactions sont emprisonnés
(Fig. A4.2).
L’étape suivante du procédé consiste à sécher le gel par chauffage,
c’est-à-dire à évaporer la phase liquide retenue dans ses pores [5]. Cette
opération est délicate lorsque le volume du gel est important car, dès qu’il
existe des interfaces liquide-gaz, il apparaît des forces capillaires d’autant
plus élevées que les pores sont étroits. Il en résulte des contraintes provoquant des fissurations du gel. On aboutit à la fin du séchage à une
poudre de silice, si la montée en température n’a pas été extrêmement
lente. Pour garder au gel son intégrité, on peut adopter des conditions de
température et pression hypercritiques pour le solvant, de telle sorte qu’il
n’y ait plus d’interfaces liquide-gaz et donc plus de pression capillaire [6].
À la suite de l’opération de séchage, on obtient un aérogel, substance
très fragile et très légère dont la masse volumique est de l’ordre de