Moulages congelés à base d'alcool polyvinylique avec nano

Sep 30, 2023

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 1020 (2023) Citer cet article

1147 Accès

1 Altmétrique

Détails des métriques

La congélation consiste à congeler une suspension liquide (aqueuse ou autre), suivie d'une sublimation de l'état solidifié à l'état gazeux sous pression réduite, puis d'un frittage de l'échafaudage restant pour consolider et densifier les entretoises et les parois. La structure est très poreuse, les pores étant une réplique des cristaux de solvant. La technique est plutôt polyvalente et l’utilisation d’un solvant liquide (de l’eau la plupart du temps) comme agent porogène est un atout important. La coulée par congélation a également été développée en tant que voie de formation de forme presque nette donnant des céramiques denses. Dans ce travail, nous rapportons des matériaux composites poreux synthétisés via la méthode des modèles de glace. L'alcool polyvinylique (PVA) est utilisé comme matrice et la nano-silice (SiO2), la nanoargile (NC) et la cellulose microfibrillée (MFC) sont utilisées comme charges pour améliorer la stabilité mécanique de l'échafaudage PVA. Nous montrons nos résultats sur la porosité et la stabilité mécanique et considérons ces nanocomposites poreux comme des matériaux isolants potentiels avec une faible conductivité thermique et des propriétés mécaniques supérieures.

Le moulage par congélation, également connu sous le nom de modèle de glace, est une technique permettant d'introduire une porosité sélective dans différents types de matériaux1,2,3,4. Les céramiques poreuses5,6,7,8,9, les métaux poreux10,11,12, les polymères13,14,15 et les composites organiques-inorganiques16,17,18,19,20,21 ont été étudiés au cours des 20 dernières années.

Le processus de création de modèles de glace est divisé en trois étapes principales. Tout d'abord, les particules ou polymères sont dispersés ou dissous dans un solvant. Ensuite, la dispersion/solution précurseur est exposée à un gradient de température en plaçant un moule sur un doigt froid qui est plongé dans un agent de congélation, généralement de l'azote liquide22. Au cours de ce processus, la glace forme des cristaux allongés dans le sens de congélation, depuis le doigt froid jusqu'au sommet de la dispersion/solution, en raison de la surfusion constitutionnelle à l'interface glace-eau. Enfin, le solvant congelé est éliminé par lyophilisation. L'avantage le plus important des matériaux synthétisés par modelage de glace est l'amélioration de la stabilité mécanique par rapport aux matériaux à porosité isotrope, qui peut être augmentée jusqu'à 400 %14.

Les structures polymères poreuses formées par coulée par congélation sont utilisées pour différentes applications. La structure à pores ouverts d’un composite PVA poly(alcool vinylique) à base de glace ou de gélatine23 peut être utilisée pour la libération ciblée d’ingrédients pharmaceutiques ou pour des matériaux de régénération cutanée24. Dans l’un de nos travaux précédents, nous avons montré que les gelés coulés en PVA réticulé sont des matériaux isolants potentiels25. Ils ont une faible conductivité thermique dans la gamme des matériaux isolants couramment utilisés, mais présentent une stabilité mécanique nettement meilleure par rapport aux autres matériaux isolants de type mousse.

Pour améliorer encore les propriétés des matériaux poreux, différentes charges inorganiques ou organiques peuvent être ajoutées lors de la synthèse. Des nanoparticules comme le SiO26 ou le noir de carbone26, les nanofibres de cellulose27,28 ou les minéraux silicatés29,30 peuvent être utilisées. L'insertion de SiO231 conduit à une stabilité mécanique améliorée des échafaudages PVA. Sun et al.31 ont synthétisé des nanocomposites aérogel/silice PVA en développant un revêtement de silice sur des échafaudages PVA par congélation et ont pu augmenter la résistance à la compression de 1,8 à 6,0 MPa. L’introduction de nanofibres de cellulose dans les échafaudages en PVA entraîne également une amélioration de la stabilité mécanique27. Hostler et al.18 ont fait état d'un matériau composite composé de PVA et de nano-argile par moulage par congélation. Le matériau présente une très faible conductivité thermique de 0,030 W m−1 K−1 perpendiculairement à la direction de congélation.

Dans ce travail, nous rapportons des matériaux composites poreux synthétisés via la méthode des modèles de glace. À cette fin, le PVA est utilisé comme matrice et la nano-silice (SiO2), la nanoargile (NC) et la cellulose microfibrillée (MFC) sont utilisées comme matériaux de remplissage pour améliorer la stabilité mécanique de l'échafaudage PVA. Nous évaluons ces nanocomposites poreux en tant que matériaux isolants potentiels dotés d'une faible conductivité thermique et de propriétés mécaniques supérieures.