Utilisation des plans d’expériences pour orienter la synthèse de silices mésoporeuses vers des caractéristiques physico-chimique du matériau définies

Résumé du document

Les silices mésoporeuses présentent une surface d'échange élevée et une distribution de pores homogène. Elles ont un diamètre de pores variant de 2 à 50 nm. Elles sont utilisées dans des domaines tels que l'encapsulation de molécules, le support de catalyse ou la chromatographie.
La synthèse des silices mésoporeuses est réalisée à partir d'une solution micellaire et d'une source de silice (rapport molaire surfactant/silice R). Lors de l'ajout de la silice à la solution micellaire, des liaisons hydrogène se forment entre la tête polaire du tensio-actif et la silice. Le mélange obtenu est placé dans un autoclave et mis à l'étuve à une température donnée (T) et pendant une durée déterminée (t) (traitement hydrothermal). Cette opération permet la polymérisation. Ensuite le tensio-actif est éliminé par un lavage à l'éthanol.
Des expériences antérieures ont été réalisées en faisant varier uniquement la température. Nous observons qu'une augmentation de la température de 80 à 160°C réduit sensiblement l'aire spécifique (facteur 3) alors qu'elle conduit à un fort élargissement des pores (facteur 5). Nous remarquons que le modèle linéaire n'est pas adapté pour décrire diamètre de pore et aire spécifique en fonction de la température. Un modèle polynomial du second degré semble mieux convenir.
Nous voulons prendre en compte plusieurs paramètres ajustables intervenant dans la synthèse de la silice et étudier leurs effets sur les caractéristiques physico-chimiques du matériau. Nous allons modéliser les caractéristiques de la silice en fonction de quatre paramètres retenus (t, T, pH et R). Nous nous intéressons aux interactions d'ordre deux entre les facteurs ainsi qu'aux termes au carré. Afin d'obtenir la meilleure qualité de l'information à moindres coûts (les coefficients du modèle avec l'incertitude la plus faible possible et un nombre minimal d'expériences), nous envisageons la méthodologie des plans d'expériences.

Extraits

[...] H. Emmett and E. Teller, J. Am. Chem. Soc E. P. Barrett, L. [...]

[...] Cependant, la température a un effet très important et positif par rapport à la porosité et négatif par rapport à l'aire. Ces graphes confirment la tendance dégagée de l'analyse des résultats des isothermes d'adsorption de gaz. Figure 6 : Graphe des effets principaux par rapport à la réponse choisie Enfin, les graphes des interactions font ressortir une éventuelle interdépendance entre les facteurs (Figure 7). Ils montrent l'interaction entre deux facteurs par rapport à la réponse moyenne. Il n'y a aucune interaction entre le facteur R et les autres paramètres quelque soit la réponse prise en compte. [...]

[...] Cet effet ne variant pas dans le même sens selon la réponse considérée, il faudra trouver des compromis pour optimiser la synthèse par rapport à ces caractéristiques physico-chimiques. La spectroscopie IR apporte des informations sur les groupements silanols et permet de différencier les silanols libres de ceux pris dans des liaisons hydrogène et de montrer la différence de quantité relative de chacun. Il peut être intéressant d'utiliser d'autres techniques quantitatives (absolues) comme la RMN (Résonance Magnétique Nucléaire) ou l'ATG (Analyse ThermoGravimétrique). [...]

[...] Le montage utilisé est constitué d'une source de rayons X (de longueur d'onde λ=1,54 Å correspondant à la raie Kα du cuivre), d'un système de collimation composé de plusieurs fentes verticales et horizontales, d'un miroir permettant la focalisation du faisceau et d'un porte échantillon pouvant recevoir une cellule où l'échantillon est placé entre deux feuilles de mica, ou un porte capillaire dans lequel un capillaire de diamètre compris entre 0,5 et 2 mm est introduit (Figure 3). Le porte-échantillon est thermostaté à l'aide d'un Peltier couplé à un thermostat. Le système de détection utilisé est un détecteur linéaire constitué de 1024 canaux. La distance échantillon-détecteur est d'environ 53 cm. Figure 3 : Schéma de principe d'un montage SAXS. [...]

[...] Les bandes vers 2900-3000 cm-1 en MIR et vers 5900cm-1 en PIR décrivent respectivement la combinaison et l'harmonique CH et traduisent une extraction incomplète du tensio-actif. La hauteur de la bande située vers 3750 cm-1 laisse penser que la quantité de silanols libres est inférieure dans l'échantillon 1 par rapport aux deux autres. La taille des pores de 1 est la plus petite, donc les groupements silanols sont plus proches et ont plus tendance à se lier entre eux ce qui diminue la quantité de SiOH libres. Les spectres en proche IR donnent la quantité globale de SiOH. [...]