Géopolymère

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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 a des propriétés similaires aux plastiques, mais ils n’ont aucun solvant dangereux, ne brûlent pas et ne dégagent pas de gaz ni fumées toxiques. Comme une pierre, ils résistent aux agressions chimiques, à l’érosion du temps et permettent une production non polluante.

Les matières premières utilisées sont principalement des minéraux d'origine géologique, d'où le nom « géopolymère ». Joseph Davidovits a inventé le terme en 1978[1] et a créé l'institution scientifique française (association loi 1901) « Institut Géopolymère ».

Selon Yen T.F.[2], les géopolymères peuvent être classés en deux grands groupes :

  • les géopolymères entièrement inorganiques ;
  • les géopolymères contenant une certaine quantité d'organique et qui sont les analogues synthétiques de macromolécules naturelles.

Dans l'exposé qui suit, un 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-), le ferro-silico-aluminate (-Fe-O-Si-O-Al-O-) ou alumino-phosphate (-Al-O-P-O-), créés par un processus de géopolymérisation[3]. Cette synthèse minérale (géosynthèse) fut présentée lors d'un symposium IUPAC en 1976[4]. Cependant, très souvent, les scientifiques prennent comme référence de départ la publication faite en 1991[5].

La microstructure des géopolymères est essentiellement dépendante de la température :

  • elle est amorphe aux rayons X à température ambiante ;
  • mais évolue en une matrice cristalline à des températures supérieures à 500 °C[6],[7],[8].


On peut distinguer deux voies de synthèse :

  1. en milieu alcalin : (Na+, K+, Li+, Ca++, Cs++etc.);
  2. en milieu acide avec de l'acide phosphorique et les acides humiques.

La voie alcaline est la plus importante en termes d'applications R&D et commerciales et est décrite ci-dessous. Des détails sur la voie acide se trouvent dans les références[9],[10],[11],[12].

Ces nanomatériaux se trouvent dans des céramiques, des matériaux composites de haute technicité pour l’industrie automobile, aéronautique et la défense, dans des peintures anti-feu, thermodurcissables, sans solvant organique pour le bois et le métal, des biomatériaux pour prothèses osseuses, des membranes de piles à combustible et des nouveaux ciments écologiques sans dégagement de gaz à effet de serre, aux caractéristiques proches d’une pierre naturelle.

Définition scientifique[modifier | modifier le code]

Parmi les géopolymères, ceux basés sur les alumino-silicates sont désignés sous le terme « poly(sialate) », qui est une abréviation de poly(silico-oxo-aluminate) ou (-Si-O-Al-O-)n (soit n le degré de polymérisation). La structure chimique de la Fig. 1 montre un géopolymère poly(sialate-siloxo) résultant d'une géosynthèse d'acide poly(silisique) (SiO2)n et d'alumino-silicate de potassium, en milieu alcalin (KOH, NaOH). Dans cette structure, le groupement sialate (Si-O-Al-O-) est un agent de réticulation.

Geopolymere lien sialate.gif

  • Exemples de polycondensation vers un poly(sialate) et un poly(sialate-siloxo), à partir de métakaolin MK-750, voir Fig. 2[13].

Geopolymere structures-sialate.gif

On pense que le mécanisme de la synthèse géochimique se fait par l'intermédiaire d'oligomères (dimère, trimère) qui constituent les véritables groupements structuraux unitaires formant la structure macromoléculaire tridimensionnelle, selon les schémas de la Fig. 3.

Geopolymere exemples molecules.gif

Structure chimique et applications[modifier | modifier le code]

Principales applications[modifier | modifier le code]

  • Résines et liants géopolymères.
  • Matériaux stables au feu et à haute température.
  • Art, archéologie et histoire des techniques.

Le rapport atomique Si:Al dans la structure poly(sialate) détermine les propriétés et le champ d'application.

  • Un ratio faible de Si:Al (1,2,3) instaure un réseau 3D qui est très rigide.
  • Un ratio élevé Si:Al, plus grand que 15, fournit un caractère polymère au matériau géopolymère.

Voir Fig. 4.

Geopolymere applications silico-aluminates.gif

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. J. Davidovits, 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, 10–12 juin 1981, p. 316-320. It is available as a pdf-file and may be downloaded from the European Parliament Bookshop. Go to <http://bookshop.europa.eu/en/transfer-and-exploitation-of-scientific-and-technical-information-pbCD3381271/> and click on download.
  2. Kim D., Lai H.T., Chilingar G.V., Yen T.F. (2006), Geopolymer formation and its unique properties, Environ. Geol, 51[1], 103–111.
  3. Voir http://www.geopolymer.org/science/introduction
  4. [PDF] #20 Milestone paper IUPAC 76 à [1]
  5. Davidovits, J., (1991), Geopolymers: Inorganic Polymeric New Materials, J. Thermal Analysis, 37, 1633–1656. Existe en [PDF] #12 en langue anglaise dans la Library, Geopolymer Institute, [2]
  6. Zoulgami M., Lucas-Girot A., Michaud V., Briard P., Gaudé J. et Oudadesse H. (2002), Synthesis and physico-chemical characterization of a polysialate-hydroxyapatite composite for potential biomedical application, Eur. Phys. J. AP, 19, 173-179.
  7. Kriven W.M., Bell J., Gordon M. (2003), Microstructure and Microchemistry of Fully-Reacted Geopolymers and Geopolymer Matrix Composites, Ceramic Transactions, 153, 227–250
  8. Perera D.S. et Trautman R.L. (2005), Geopolymers with the Potential for Use as Refractory Castables, Advances in Technology of Materials and Materials Processing, 7[2], 187–190.
  9. Wagh, A.S. (2004), Chemically Bonded Phosphate Ceramics – A Novel Class of Geopolymers, Proceedings of the 106th Ann. Mtg. of the American Ceramic Society, Indianapolis.
  10. chap. 13, Phosphate-based Geopolymers, in J. Davidovits' book Geopolymer Chemistry and Applications
  11. Perera D.S., Hanna J.V., Davis J., Blackford M.G., Latella B.A., Sasaki Y. et Vance E.R. (2008), Relative strengths of phosphoric acid-reacted and alkali-reacted metakaolin materials, J. Mater. Sci., 43, 6562–6566.
  12. Cao D., Su D., Lu B. et Yang Y. (2005), Synthesis and structure characterization of geopolymeric material based on metakaolinite and phosphoric acid, Journal Chinese Ceramic Society, 33, 1385–89.
  13. Voir la réf. no 5

Note : l'article sur Wikipédia (en) Geopolymer contient de nombreuses informations complémentaires.

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Bibliographie[modifier | modifier le code]

  • Joseph Davidovits, Geopolymer Chemistry and Applications, Institut Géopolymère, Saint-Quentin, France, 2008, ISBN 9782951482050 (3e éd., 2011). En Chine : National Defense Industry Press, Beijing, ISBN 9787118074215, 2012.
  • John L. Provis et Jannie S. J. van Deventer, Geopolymers Structure, processing, properties and industrial applications, Woodhead Publishing, 2009, ISBN 9781845694494.

Lien externe[modifier | modifier le code]