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Matrices cellulosiques nanostructurées pour superisolants thermiques – NANOCEL

La cellulose et ses dérivées pour améliorer les propriétés des silices superisolantes thermiques. Une piste «verte« et efficace.

Les silices sol-gel superisolantes sont très prometteuses vis-à-vis de la superisolation thermique à pression atmosphérique mais elles nécessitent des solutions viables pour combattre leurs faiblesses mécaniques. Le recours aux structures cellulosiques hyperporeuses est l'une des plus pertinentes en ce qu'elle peut permettre d'atteindre cet objectif sans pour autant nuire à leur impact environnemental.

Des matrices cellulosiques ultra-poreuses de très faible conductivité thermique.

Durant la dernière décennie, une politique active de recherche et développement de nouveaux isolants thermiques très performants appelés superisolant a été engagée à l’échelle internationale. Pour l’heure, l’essentiel des travaux s’est concentré sur les silices nanostructurées. Les matériaux obtenus sont thermiquement très performants mais sont mécaniquement très fragiles. Cette faiblesse constitue un frein majeur à leur développement massif, notamment pour l’enveloppe du bâtiment. Une des solutions prometteuses réside dans leur hybridation organique. Cependant, il n’existe pas à l’heure actuelle de structures organiques suffisamment performantes hors de la sphère pétrochimique (polyuréthane, polycyclopentadiène, …). Dans ce cadre, le projet NANOCEL propose de travailler à l’élaboration d’une matrice cellulosique nanostructurée très isolante apte à être utilisée pour le renforcement mécanique - à bas coût et à faible impact environnemental - des silices superisolantes, sans nuire à leur très basse conductivité thermique. La première partie du projet vise à créer les matrices cellulosiques ultraporeuses finement structurées, donc peu conductrices ; la seconde, à les tester comme matrices de liantage de silices superisolantes divisées pour l’enveloppe du bâtiment.

Deux voies ont été sélectionnées selon que l’on utilise la cellulose ou ses dérivés. Le premier procédé repose sur la régénération (ou coagulation) de solutions de cellulose (dissoute dans la soude ou dans des liquides ioniques) dans un non-solvant (l’éthanol). Le second procédé consiste à synthétiser par voie sol-gel des gels d’acétate de cellulose par réticulation chimique dans l’acétone. Le premier procédé conduit à des gels physiques de cellulose, le second à des gels chimiques d’acétate de cellulose. Ces gels, de porosité ouverte, sont ensuite séchés sous flux de CO2 supercritique afin de conserver tout ou partie de leur morphologie initiale en évitant l’apparition de contraintes capillaires. Les matrices cellulosiques ainsi obtenues sont utilisées pour lianter des silices granulaires superisolantes. Un procédé de coulée sur des granulats secs est mis en œuvre à cet effet. Les matériaux secs obtenus sont ensuite finement caractérisés sous les angles physico-chimiques (structure, texture, …), thermiques (conductivité thermique, chaleur spécifique, …) et hydriques (sorption, vieillissement, …). Une partie de ces caractéristiques est utilisée pour alimenter un modèle physique de prédiction de leur conductivité thermique. Enfin, une étude ACV complète la panoplie des travaux menés sur cette nouvelle gamme d’isolants « verts ».

Des matrices cellulosiques superisolantes ont été obtenues par réticulation sol-gel de l’acétate de cellulose. Ces dernières présentent des conductivités thermiques à l’ambiante de l’ordre de celles des meilleures silices superisolantes (i.e. 0.015 W/m.K). Ces matrices organiques ont été utilisées pour améliorer - au sens large - la tenue mécanique des silices superisolantes. Elles ont notamment permis de donner de la cohésion à des lits granulaires et de réduire ainsi drastiquement le poudrage minéral. L'étude de leur vieillissement thermo-hydrique a été initiée. Certaines formulations semblent relativement «stables«.
Parallèlement, de nouveaux aérogels à base pectine ont été synthétisés ; leur conductivité thermique semble prometteuse, vers 0.025 W/(m.K) dans les conditions ambiantes.
Parallèlement, une métrologie de caractérisation directe de la conductivité thermique de superisolants de faibles dimensions (2 cm de diamètre) a été mise au point. Elle s'est avérée fort utile pour le bon déroulement du projet.
Enfin, de nouveaux modèles numériques (et analytiques) de conductivité thermique des matrices cellulosiques ont été mis au point et validés à partir des mesures expérimentales (texturales et spectroscopiques) obtenues tout au long du projet.

Les résultats obtenus sont tout à fait remarquables. C’est bel et bien la première fois que des superisolants cellulosiques sont élaborés. Il est donc désormais tout à fait pertinent de chercher à améliorer : i) le comportement hydrique des matrices à base d’acétate de cellulose réticulé en les hydrophobant et ii) leur procédé d’élaboration en développant une voie adaptée de séchage subcritique.
Parallèlement, compte-tenu du caractère éminemment biosourcé des matrices à base de pectine, il est tout aussi important de continuer d’affiner leur texturation interne afin de réduire encore la conductivité thermique associée.

NANOCEL a déjà donné lieu à 2 articles dans des journaux internationaux à comité de lecture, 12 communications dans des conférences (dont 10 internationales) et une présentation dans un workshop européen. D’autres articles de rang A sont en cours de rédaction.

Dans les pays industrialisés, le secteur du bâtiment demeure l’un des plus énergivores. Aussi, durant la dernière décennie, une politique active de recherche et développement de nouveaux isolants thermiques très performants, appelés superisolants, a été engagée à l’échelle internationale. A l’échelle française, les programmes ADEME/PUCA « Bâtiment 2010 » puis ANR-PREBAT se sont efforcés de soutenir des études R&D en ce sens. Pour l’heure, l’essentiel des travaux s’est concentré sur les silices nanostructurées. Les matériaux obtenus sont thermiquement très performants (~ 15 mW/m.K ± 5 dans les CNTP) et sont intensivement étudiés comme âme de panneaux isolants sous vide (PIV). Néanmoins, qu’elles soient utilisées à pression atmosphérique ou sous vide, ces silices demeurent mécaniquement très fragiles, ce qui freine inévitablement leur développement vis-à-vis de l’isolation thermique en général et du bâtiment en particulier. L'une des solutions les plus prometteuses réside dans leur hybridation organique. A l’heure actuelle, il n’existe pas de structures organiques suffisamment performantes hors de la sphère pétrochimique (polyuréthane, polycyclopentadiène). Aussi, dans le cadre du projet NANOCEL, nous nous proposons d’élaborer une matrice cellulosique nanostructurée très isolante, dès la pression atmosphérique, permettant, à "court-moyen" terme, de renforcer mécaniquement - à bas coût et à faible impact environnemental - les silices superisolantes, sans nuire à leur très basse conductivité thermique. Pour ce faire, nous allons consacrer la première partie du projet à créer les matrices cellulosiques nanostructurées puis à les caractériser (structuralement, thermiquement, hydriquement et mécaniquement) avant de les tester comme matrices de liantage de silices superisolantes divisées pour l’enveloppe du bâtiment. En fin de projet, ces travaux seront complétés par l'initiation de l'étude des impacts des composites superisolants les plus aboutis et ce, sous l'angle sanitaire (tenue au feu, émissions) et environnemental (ACV). En vue d’atteindre les objectifs très ambitieux de ce projet, nous avons bâti un consortium très complémentaire, aussi bien au niveau des compétences scientifiques et techniques que de la typologie des partenaires. Autour d’un coeur bâtiment, le consortium NANOCEL intègre de fortes compétences sur : la mise en forme de la cellulose (CEMEF), les matériaux nanostructurés sol-gel et l’ACV (CEP), l’extraction supercritique (CEA/LFSM), la caractérisation physico-chimique des nanomatériaux (GES), la modélisation (CETHIL) et la caractérisation (CSTB) de leurs propriétés thermo-physiques, la caractérisation indirecte de la conductivité par méthode Flash (NEOTIM) et l'étude du vieillissement thermo-hydrique (EDF). Du point de vue typologique, le consortium NANOCEL est composé de 4 organismes publics de recherche (GES, CETHIL, CEA/LFSM et CSTB), de 2 laboratoires d'un organisme privé de recherche (CEP et CEMEF) et de 2 industriels (EDF et NEOTIM) dont une PME (NEOTIM). Ce panachage d’acteurs permet de lier concrètement expertises amont et aval.

Coordinateur du projet

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

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Début et durée du projet scientifique : - 0 Mois

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