Article

1 - QUE SONT LES GÉOPOLYMÈRES ?

2 - DIFFÉRENTS GÉOPOLYMÈRES

3 - SYNTHÈSE DES GÉOPOLYMÈRES SILICOALUMINATES

4 - CARACTÉRISATION DES GÉOPOLYMÈRES SILICOALUMINATES

5 - ÉCRITURE CHIMIQUE

6 - EXEMPLES DE GÉOPOLYMÉRISATION

7 - CONCLUSION

Article de référence | Réf : N3300 v1

Chimie des géopolymères. Introduction

Auteur(s) : Joseph DAVIDOVITS

Date de publication : 10 oct. 2014

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RÉSUMÉ

Après avoir défini ce que sont les géopolymères, cet article développe les différentes classes de poly(silicoaluminates) telles que poly(sialate) –Si-O-Al-O-, poly(sialate-siloxo) –Si-O-Al-O-Si-O, et poly(sialate-disiloxo) –Si-O-Al-O-Si-O-Si-O-. La compréhension des mécanismes chimiques exige une écriture chimique évitant la confusion entre valence chimique et coordinence, par analogie avec la chimie des silicones. L'article met l'accent sur la structure moléculaire de la métakaolinite et sa géopolymérisation en milieu alcalin, en particulier les 2 séquences de géopolymérisation avec le métakaolin MK-750. La caractérisation des géopolymères s'effectue avec la résonance magnétique nucléaire RMN. On présente aussi la méthode de géopolymérisation à l'aide de la technique sol-gel, ainsi que la création de géopolymères hybrides minéral-organique.

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ABSTRACT

Geopolymer Chemistry: an overview

After defining what are geopolymers, this article develops the different classes of poly(silicoaluminates) such as poly(sialate) -Si-O-Al-O-, poly(sialate-siloxo) -Si-O-Al-O-Si-O, and poly(sialate-disiloxo) -Si-O-Al-O-Si-O-Si-O-. The understanding of the chemical mechanisms requires a chemical writing avoiding any mix-up between chemical valence and coordination number by analogy with silicone chemistry. The article focuses on the molecular structure of metakaolinite and its geopolymerization in alkaline medium, especially the 2 sequences taking place with metakaolin MK-750. Characterization of geopolymer is done with Nuclear Magnetic Resonance NMR. Other geopolymerisation methods include the sol-gel technique and the creation of hybrid inorganic-organic geopolymer.

Auteur(s)

  • Joseph DAVIDOVITS : Professeur - Institut géopolymère, Saint-Quentin (Aisne), France

INTRODUCTION

Les géopolymères sont la réciproque des polymères organiques. À la place de dérivés du pétrole et de la chaîne carbonée, on utilise de la matière minérale composée de silice et d'alumine. Cette géosynthèse permet de réaliser des matériaux pouvant remplacer certains plastiques, mais ils n'ont aucun solvant dangereux, ne brûlent pas et ne dégagent pas de gaz ni fumées toxiques. Comme une roche, ils résistent aux agressions chimiques et à l'érosion du temps. Les matières premières sont principalement des minéraux d'origine géologique, d'où le nom « géopolymère ». Les géopolymères peuvent être classés en deux grands groupes : les géopolymères entièrement inorganiques et les géopolymères contenant une certaine quantité d'organique. Au début de la recherche, les renseignements qui étaient à disposition étaient très succincts. Ils provenaient essentiellement de la minéralogie et de la cristallographie des argiles, notamment de la kaolinite. Il était difficile de prédire et de comprendre la réactivité chimique et le mécanisme de géopolymérisation en se basant sur la représentation structurale géométrique sous forme de tétraèdre, pentaèdre ou hexaèdre, encore couramment en usage dans de nombreuses publications. D'où la nécessité d'introduire une écriture mettant en avant les groupes réactionnels chimiques, essentiellement basée sur l'analogie avec la chimie des polysilicones.

Dans cet article, le géopolymère est essentiellement un composé chimique minéral ou un mélange de composés constitués de motifs, par exemple silico-oxyde (—Si—O—Si—O—), silico-aluminate (—Si—O—Al—O—), ferro-silico-aluminate (—Fe—O—Si—O—Al—O—) ou alumino-phosphate (—Al—O—P—O—), créés par un processus de géopolymérisation. Il permet la fabrication de matériaux employés dans les applications céramiques, les composites fibreux de haute technicité pour l'industrie automobile, l'aéronautique et la défense, les peintures et colles anti-feu sans solvant organique, en passant par les biomatériaux pour prothèses osseuses, et les nouveaux ciments écologiques sans dégagement de gaz à effet de serre CO2 . Une nouvelle classe de matériaux hybrides à matrice organique et géopolymérique permet l'amélioration des propriétés mécaniques et physiques du géopolymère proprement dit. Le défaut des géopolymères est leur caractère céramique, c'est-à-dire leur manque d'élasticité. L'incorporation d'organique vise à améliorer cette propriété mécanique.

On distingue deux voies de synthèse :

  • en milieu alcalin (Na+, K+, Li+, Ca2+, Cs2+, etc.), souvent confondu avec la simple activation alcaline des ciments ;

  • en milieu acide avec de l'acide phosphorique et les acides humiques.

La voie alcaline est la plus importante en termes de R, d'innovation et d'applications commerciales et est celle décrite dans cet article.

La microstructure de la matrice géopolymère étant essentiellement amorphe, la diffraction aux rayons X n'est pas d'une grande utilité. Par contre, la spectroscopie RMN fournit les informations nécessaires pour la compréhension de la structure moléculaire et du caractère polymérique. Dans cet article, nous portons l'intérêt sur la réactivité du minéral qui fut à l'origine de la découverte des géopolymères en 1976, à savoir la kaolinite calcinée, ou métakaolinite, dénommée métakaolin ou MK-750 pour indiquer la température de calcination de 750 oC. Cette matière première est exempte d'impureté et permet ainsi une analyse plus simple du mécanisme de géopolymérisation alcaline.

Aperçu historique

Les différents incendies de grande ampleur provoqués par les matières plastiques qui avaient, dans les années 1970, causé la mort de centaines de personnes (le Dancing du Cinq Sept en 1970 près de Grenoble) furent un choc pour les chimistes experts en polymères organiques. Il fallait donc inventer et développer des polymères inorganiques, stables au feu. Pour cela, une société de recherche privée, Cordi SA (Coordination et développement de l'innovation), fut créée en 1972 à Saint-Quentin (Aisne) ; puis, en 1979, l'Institut géopolymère (association Loi 1901) commença ses travaux de publications.

C'est en mars 1983 que la recherche appliquée et universitaire fut continuée aux USA, plus particulièrement sur les ciments géopolymères (ciment Pyrament), tout d'abord à Miami, Barry University, Floride, puis à Pennsylvania State University, suivie par la recherche sur les applications en matériaux composites stables au feu pour l'aéronautique avec la FAA (Atlantic City) et Rutgers State University, New Jersey, jusqu'en 2000, date de la réouverture d'un laboratoire à Saint-Quentin, le nom de la société étant changé en Cordi-Géopolymère Sarl, jusqu'en 2009.

D'un autre côté fut créée en France, en 1983 à Pont-Ste-Maxence (Oise), une petite société d'innovation pour développer des applications commerciales de niche, Géopolymère Sarl, plus connue maintenant sous le nom de Pyromeral Systems Sarl. Il faudra cependant attendre la publication d'un article sur les ciments géopolymères en octobre 2006 dans une revue de vulgarisation scientifique, puis les directives du Grenelle de l'environnement (fin 2007) pour attirer l'attention des scientifiques français. Ainsi, dans son rapport Évaluation de la stratégie nationale de recherche en matière d'énergie du 3 mars 2009, l'Office parlementaire d'évaluation des choix scientifiques et technologiques (OPECST) (Assemblée nationale et Sénat) recommande d'anticiper « l'après pétrole » en développant la recherche sur les géopolymères. Cette recommandation fut également présentée le 18 mars 2009, à l'Assemblée nationale, devant la Commission des affaires économiques, de l'environnement et du territoire. Depuis, plusieurs thèses de doctorat furent mises en route par les institutions suivantes : École supérieure physique et chimie industrielles, Institut français du pétrole, CEA., École nationale supérieure céramiques industrielles, École des Mines d'Albi, Laboratoire central des ponts et chaussées IFSTTAR, INSA Toulouse.

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KEYWORDS

aeronautics   |   automotive   |   medicine

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-n3300


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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - DAVIDOVITS (J.) -   The need to create a new technical language for the transfer of basic scientific information.  -  In Transfer and Exploitation of Scientific and Technical Information, Proceedings of the symposium, Luxemburg, p. 316-320, 10-12 juin 1981 http://www.bookshop.europa.eu/en/transfer-and-exploitation-of-scientific-and-technical-information-pbCD3381271/

  • (2) - DAVIDOVITS (J.) -   Solid-phase synthesis of a mineral blockpolymer by low temperature polycondensation of alumino-silicate polymers : Na-poly(sialate) or Na-PS and characteristics.  -  IUPAC Symposium on Long-Term Properties of Polymers and Polymeric Materials, Topic III, Stockholm (1976) http://www.geopolymer.org/category/library/technical-papers, Pdf file #20 ''Milestone paper IUPAC 76''

  • (3) - DAVIDOVITS (J.) -   Geopolymers : inorganic polymeric new materials.  -  J. Thermal Analysis, 37, p. 1633-1656 (1991).

  • (4) - KIM (D.), LAI (H.T.), CHILINGAR (G.V.), YEN (T.F.) -   Geopolymer formation and its unique properties.  -  Environ. Geol, 51(1), p. 103-111 (2006).

  • (5) - DAVIDOVITS (J.) -   Geopolymers : man-made rock geosynthesis and the resulting development...

1 Site Internet

Institut Géopolymère http://www.geopolymer.org/

HAUT DE PAGE

2 Événement

GEOPOLYMER CAMP, a lieu tous les ans à Saint- Quentin (Aisne), 2e semaine de juillet http://www.geopolymer.org/camp

HAUT DE PAGE

3 Brevets

Sélection d'après la base Espacenet de l'INPI, Paris

Polymère minéral, FR2464227

Polymère minéral synthétique de la famille des silicoaluminates et procédé de préparation EP0026687

Matériaux minéraux expansés à base de silico-aluminates de type K-Poly(Sialate) et/ou (Na,K)-Poly(Sialate-siloxo) FR2512805

Procédé de fabrication de revêtements de sols ou de murs par polycondensation de géopolymères FR2528818

Early high-strength mineral polymer US4509985

Procédé de stabilisation, de solidification et de stockage de déchets EP0338060

Procédé...

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