Aérogels hybrides pour la construction durable : Élaboration, caractérisation et modélisation
Advisors : Salah Naili, Benjamin Carbonner, Mahouche-Chergui Samia, Grande Daniel, Nguyen Vu Hieu
La consommation énergétique ne cesse de croître dans tous les pays du monde avec une augmentation du besoin mondial estimé à +71% pour la période 2003 à 2030. Aujourd’hui, le secteur du bâtiment en Europe à lui seul représente environ 40% de la consommation totale. Néanmoins, une grande partie de cette énergie consommée est fortement émettrice de gaz à effet de serre (~36%) ce qui présente une véritable menace pour l’environnement et la santé humaine.[1]
Afin d’y remédier, deux principales solutions sont proposées, d’une part, la réduction de la consommation énergétique des bâtiments, et d’autre part, l’utilisation d’une énergie dite renouvelable. L’isolation thermique efficace des bâtiments contribue indéniablement à la réduction de l’empreinte carbone du secteur de la construction, acteur primordial de l’activité économique de nos sociétés développées. [2] Les panneaux isolants sous vide et les aérogels à base de silice, deux nouvelles classes de matériaux très prometteurs, rencontrent aujourd’hui un intérêt croissant dans le secteur du bâtiment. [3] La structure méso/nanoporeuse des aérogels, gels dans lesquels un liquide a été remplacé par un gaz, permet de confiner jusqu’à 99,99% d’air et donc d’atteindre des valeurs de conductivité thermique à pression atmosphérique inférieures à celle de l’air immobile (λ<0,025 W.m-1.K-1).[4,5] Ils sont ainsi qualifiés de super-isolants thermiques permettant de bloquer les déperditions thermiques. L’utilisation de ce type de solides nanostructurés ultralégers permet une réduction de l’épaisseur du matériau isolant jusqu’à trois fois tout en gardant la même conductivité thermique.
L’objectif de ce projet est double. Il s’agit d’une part, d’élaborer des aérogels hybrides ternaires associant des nanoparticules d’argile et de graphène avec un polymère biosourcé capables d’allier d’une part une super-isolation thermique, une remarquable isolation phonique, et une haute résistance mécanique et au feu, et d’autre part, de développer, en particulier et pour la première fois, des modèles permettant d’évaluer les propriétés effectives en prenant en compte l’humidité. En effet, les modélisations classiques utilisées jusqu’à présent pour décrire la réponse thermique de matériaux isolants ne sont pas adaptés aux aérogels à base de biopolymères à cause d’une part de leur caractère hydrophile et d’autre part de leur ultraporosité. Cet aspect constitue une des originalités de la modélisation. Les modèles devraient permettre d’une part de guider la phase d’élaboration des matériaux, et d’autre part, d’optimiser par des procédures appropriées ses propriétés effectives.
[1] https://ec.europa.eu/energy/topics/energy-efficiency/energy-efficient-buildings
[2] A. Lyons. Insulation materials. Materials for architects and Builders, 3rd edt, Insulation materials, (2006), 308-322.
[3] M. Reim, A. Beck, W. Korner, R. Petricevic, M. Glora, M. Weth, T. Schliermann, J. Fricke, Ch. Schmidt, F.J. Pötter. Highly insulating aerogel glazing for solar energy usage, Solar Energy, 72, (2002) 21-29.
[4] S. Mahouche-Chergui, Yves Grohens, Bénédicte Lebeau, Yves Scudeller. Design of multi-scale cellulose-based aerogels for improved thermal insulation properties, TAPPI Nanotechnology Conference, 1 (2013) Stockholm, Sweden.
[5] N. Hüsing, U. Schubert. Aerogels-Airy Materials: Chemistry, structure, and properties, Angew. Chem., 37 (1998) 22-45.