Brevet FR2945813A1 — publié le 20101126

UTILISATION D'AEROGELS POUR LA PREPARATION DE MATERIAU POUR ISOLATION THERMIQUE La présente invention a pour objet un matériau pour isolation thermique préparé à partir d'aérogels. L'isolation thermique, ensemble des méthodes utilisées pour limiter les transferts de chaleur entre un milieu chaud et un milieu froid se retrouve notamment dans le bâtiment, l'industrie et l'automobile. Les matériaux utilisés sont très variés et on peut citer notamment les matériaux synthétiques (polystyrènes expansé et extrudé, polyuréthane, polyester), les fibres minérales, végétales et animales (laines de roche, laines de verres, laines de bois, lin, chanvre, mouton, etc.), les autres matériaux renouvelables (cellulose, liège, etc.), les isolants minéraux plus rarement utilisés (perlite, vermiculite, argile expansée, verre cellulaire) et les isolants minces réfléchissants. Plus récemment les aérogels matériau semblable à un gel où le composant liquide est remplacé par du gaz ont trouvé leur application dans le bâtiment et dans des produits de grande consommation, comme les sacs de couchage et les gants, les raquettes de tennis.... Les aérogels sont définis comme des gels secs possédant généralement des pores de volume nanométrique. Ce genre de matériaux est obtenu par séchage supercritique d'organogels ce qui permet d'éliminer le solvant tout en conservant la texture poreuse du gel humide. Les aérogels décrits dans la littérature sont obtenus à partir de structures polymères diverses et variées ou à partir d'oxydes comme l'alumine ou la silice. Les aérogels de silice, les plus répandus sont constitués de microbilles d'un verre poreux à base de dioxyde de silicium amorphe. Toutefois ces aérogels restent coûteux et il existe un besoin de mettre à disposition de nouveaux aérogels encore plus performants et dont la fabrication est moins coûteuse. Les inventeurs ont récemment découvert de manière fortuite qu'une série de composés de faible poids moléculaire dérivés d'acides aminés naturels étaient capables de gélifier des solvants apolaires même à de très faibles concentrations. Ces composés sont décrits par Brosse N. et al. (Tetrahedron Letters, 45, (2004) 9521-9524). Les aérogels obtenus à partir de ces organogels par évaporation du solvant sont des matériaux nanostructurés et méso-poreux qui présentent des propriétés remarquables en termes notamment de surface spécifique et de très faible contribution du solide ce qui permet d'envisager l'utilisation de ces matériaux dans diverses applications, notamment comme isolants, catalyseurs, épaississants pour peinture ou cosmétique, etc.. 5 Aussi la présente invention a-t-elle pour objet un matériau pour isolation thermique comprenant un aérogel obtenu par séchage d'un organogel préparé à partir de pseudopeptides de formule (I) dans laquelle R représente une chaîne latérale d'un acide aminé naturel ou synthétique, RI représente soit un groupe (C,-C8)alkyle droit ou ramifié, soit un groupe (C1-C8)alcoxy droit ou ramifié, soit un groupe aryle, soit un groupe aryle(C1-C4)alkyle, soit un groupe 10 aryloxy, soit un hétérocycle saturé ou insaturé, n = 1 ou 2 et A représente un groupe aromatique ou hétéroaromatique à un ou plusieurs cycles, notamment un groupe phényle ou un groupe naphtyle. Dans un mode de réalisation avantageux du matériau pour isolation thermique selon 15 l'invention, le pseudopeptide de formule (I) est choisi parmi ceux dans lesquels le groupe représente soit un groupe : soit un groupe R~ OCùHN 20 Dans un mode de réalisation encore plus avantageux de l'invextion, le pseudopeptide de formule (I) est choisi parmi ceux dans lesquels R représente soit -CH2Ph, soit -CH(CH3)3 soit ùCH2CH(CH3)3 et RI représente soit PhCH2OCO-, soit CH2=CH-CH2OCO-. Au sens de la présente invention, on entend par (C1-C8)alkyle droit ou ramifié une chaîne hydrocarbonée de 1 à 12 atomes de carbone, notamment de 1 à 6 atomes de carbone. Comme par exemple les groupes : méthyle, éthyle, propyle, isopropyle, butyle, isobutyle, sec- butyle, tert-butyle, pentyle, isopentyle, néopentyle, tert-pentyle, hexyle, isohexyle, 1,1-diméthylbutyle, 2,2-diméthylbutyle, 3,3- diméthylbutyle and 2-éthylbutyle. Au sens de la présente invention, on entend par acide aminé naturel ou synthétique, notamment les acides aminés suivants : l'acide aspartique (Asp ou D), l'asparagine (Asn ou N), la thréonine (Thr ou T), la sérine (Ser ou S), l'acide glutamique (Glu ou E), la glutamine (Gln ou Q), la glycine (Gly ou G), l'alanine (Ala ou A), la cystéine (Cys ou C), la valine (Val ou V), la méthionine (Met ou M), l'isoleucine (Ile ou I), la leucine (Leu ou L), la tyrosine (Tyr ou Y), la phénylalanine (Phe ou F), l'histidine (His ou H), la lysine (Lys ou K), le tryptophane (Trp ou W), la proline (Pro ou P) et l'arginine (Arg ou R). Au sens de la présente invention, on entend par aryle, un groupe choisi parmi phényle benzyle, tolyle, xylyle et naphtyle. Au sens de la présente invention, on entend par hétérocycle saturé ou insaturé ou par hétéroromatique un groupe choisi parmi oxiranyle, azétidinyle, oxétanyle, thiétanyle, pyrrolidinyle, tétrahydrofuryle, thiolanyle, pipéridyle, tétrahydropyranyle, morpholinyle, thiomorpholinyle and pipérazinyle, pyridyle, pyrimidinyle, pyridazinyle, pyrrolyle, furanyle, thiophényle, imidazolyle, pyrazolyle, isoxazolyle, isothiazolyle, thiazolyle, oxazolyle, 1,2,4-oxadiazolyle, 1,2,3-oxadiazolyle, 1,3,4-oxadiazolyle, 1,2, 3-thiadiazolyle, 1,2, 4-thiadiazolyle, 1,3, 4-thiadiazolyle, 1,2, 4-triazolyle, 1,3, 4-triazolyle, 1,2,3-triazolyle and tétrazolyle; benzofuranyle, isobenzofuranyle, benzo[b]thiényle, indolyle, isoindolyle, 1H- indazolyle, benzimidazolyle, benzoxazolyle, benzisoxazolyle, benzothiazolyle, benzisothiazolyle, benzodioxolyle, 1H-benzotriazolyle, quinolyle, isoquinolyle, cinnolinyle, quinazolinyle, quinoxalinyle et phthalazinyle. Les pseudopeptides de formule (I) peuvent être synthétisés en trois étapes à partir d'acides aminés naturels ou synthétiques et de réactifs commerciaux peu coûteux selon des techniques classiques connues de l'homme du métier ou décrites dans la littérature. Les organogels peuvent également être obtenus selon des techniques classiques connues de l'homme du métier ou décrites dans la littérature. A titre d'exemple, ils peuvent être préparés par chauffage d'un pseudopeptide de formule (I) à reflux dans un solvant comme par exemple le tétrachlorure de carbone, dans des proportions comprises entre 0,01 et 5%, avantageusement entre 0,2 et 2% en poids d'organogélateurs par rapport au solvant puis refroidissement. Les aérogels sont préparés par séchage des organogels en milieu CO2 supercritique par des techniques classiques connues de l'homme du métier ou décrites dans la littérature, comme par exemple celle décrite dans le brevet français FR2584618. Les aérogels utilisés selon l'invention ont une surface spécifique supérieure à 50 m2/g mesurée par B.E.T. par adsorption d'azote, un diamètre moyen des pores de 35,3 À et une conductivité thermique à pression atmosphérique inférieure à 0,04 W/m'K-'. La présente invention a également pour objet, l'utilisation pour la préparation d'un matériau pour isolation thermique d'un aérogel obtenu par séchage d'un organogel préparé à partir de pseudopeptides de formule (I). Le matériau pour isolation thermique selon l'invention peut comprendre en outre des additifs choisis parmi les liants, les composés ioniques, les agents opacifiants et les fibres. Il peut se présenter sous toutes les formes usuelles et notamment sous forme de plaques, de blocs. Il peut être utilisé dans toutes les applications usuelles pour ce type de matériau, notamment dans le domaine des super-isolants thermiques. L'exemple 1 et les figures 1 à 4 qui suivent illustrent l'invention. La figure 1 est un schéma du procédé de séchage dynamique. La figure 2 est un schéma du procédé de séchage par CO2 supercritique. La figure 3 représente (a) une photographie d'un échantillon d'aérogel préparé selon l'exemple par séchage selon le deuxième procédé (b) une image obtenue en Microscopie Electronique à Balayage dudit échantillon et (c) une image MET dudit échantillon. La figure 4 représente l'isotherme d'adsorption d'azote d'un échantillon d'aérogel obtenu par séchage d'organogel à 2 % en poids. Exemple 1 : Préparation d'un aérogel à partir du composé de formule (Ia) Préparation du composé (Ia) Le chlorhydrate de l'ester méthylique de la L-Phenylalanine (10,75 g, 50 mmol) est dissous dans une solution saturée de NaHCO3 (200 mL) et le carbonate de chlorobenzyle (8,5 g, 50 mmol) est additionné sous vive agitation pendant une nuit. La solution est extraite à l'éther (3 fois). Les phases organiques sont lavées avec une solution d'acide chlorhydrique 1 N, séchées par ajout de MgSO4 et concentrées par évaporation des solvants. L'excès de carbonate de chlorobenzyle est éliminé par passage du brut réactionnel sur une petite colonne de silice, l'éluant utilisé étant de l'éther de pétrole. Le produit est ensuite chromatographié avec un éluant 40/60 de EtOAc/ Ether de pétrole et conduit à 14 g (90 %) d'ester méthylique de N-benzyloxycarbonyl-L-phénylalanine sous forme de produit pur. L'hydrate d'hydrazine (5g, 100 mmol) est additionné à une solution d'ester méthylique de N-benzyloxycarbonyl-L-phénylalanine(10 g, 32 mmol) dans le méthanol (100 mL). Le mélange est agité toute la nuit à température ambiante et l'hydrazide formé est collecté par filtration, lavé avec du méthanol et séché. (7,8 g, 78 %). L'hydrazide (2 g, 6,3 mmol) est additionné à une suspension d'anhydride naphtalique (1,26 g, 6,3 mmol) dans le toluène (200 mL) et le mélange est porté à reflux. L'eau formée au cours de la réaction est piégée par un Dean-stark. Après 6 heures, la solution refroidie se transforme rapidement en une masse gélatineuse qui après évaporation du solvant conduit à un solide. Le solide est ensuite recristallisé dans le chloroforme. Le composé la a pu être identifié par RMN du proton RMN proton (300 MHz, CDC13) de la : ù 8,85 (s, 1H), 8,65-8,45 (m, 2H), 8,20 (d, 2H), 7,80-7,60 (m, 2H), 7,45-7,10 (m, 1OH), 5,63 (m, 1H), 5,15-5,00 (m, 2H), 5,00-4,75 (m, 1H), 3,38 (dd, 1H), 3,18 (dd, 1H). 1.1. Obtention des aérogels 1.1.1. Préparation du gel 17,4 mg du composé (Ia) ont été dissous dans 2 mL de toluène pour obtenir un gel à 1% en poids. 1.1.2. Séchage du gel. 1.2.2.1. Ancien système de séchage (extraction dynamique) : Le système est illustré dans la figure 1 Préparation de la cellule de séchage : le gel a été placé dans la cellule de séchage (dimensions de l'autoclave : (pi = 23 mm, h = 300mm, V = 125 cm). Les deux extrémités ont été fermées par des frittés métalliques. Avant de mettre la cellule dans l'autoclave, 2 mL de toluène y ont été préalablement ajoutés. Puis 2 autres mL de toluène ont été ajoutés dans la cellule. L'ajout de toluène avant et après le gel a pour but d'éviter l'évaporation brute de solvant dans le gel lorsque le CO2 entre dans l'autoclave. Le volume total de toluène est d'environ 6 mL. Le volume effectif de l'autoclave est d'environ 81,3 mL. Le gaz CO2 est liquéfié, puis il traverse une pompe possédant un diaphragme métallique qui régule le flux (Dosapro Milton Roy-MilRoyal D, vitesse de flux maximum 3,2 Kg.s-l). Après chauffage le CO2 est prêt à pénétrer dans le réacteur d'extraction sous phase critique. Le flux de CO2 est mesuré à l'entrée par un débitmètre (Micro Motion). Le CO2 est pompé dans l'autoclave jusqu'à atteindre la pression de consigne de 90 bars, tout en maintenant l'extracteur à 15 °C. Après homogénéisation (5 minutes), les vannes sont ouvertes et réglées de façon à obtenir les pressions P1 (1eC séparateur) à 60 bars, P2 (2ème séparateur) à 45 bars et P3 (3ème séparateur) à 20 bars. Les séparateurs sont respectivement à une température de 20°C, 25°C et de 25°C. La circulation du CO2 est maintenue pendant 15 minutes à un débit d'environ de 300-400 g/h. La vanne de sortie de l'autoclave d'extraction est ensuite fermée et la température de l'autoclave est portée à 45 °C. La pression de l'extracteur atteint 110-116 bars. La pression de consigne est portée à cette valeur et le CO2 circule pendant 1 heure pour l'expérience à un débit d'environ de 250 g/h. Pendant cette période, le toluène des séparateurs est prélevé toutes les 15 minutes. 1.2.2.2 Nouveau système de séchage (réacteur supercritique) La différence principale avec l'ancien système est le diamètre interne du réacteur. Il est de 4 cm au lieu de 1,9 cm (dimensions du réacteur : h = 8 cm, V = 100 ml.). De plus, pour séparer le toluène, cette installation ne possède qu'un seul séparateur à 3°C (au lieu de 3 séparateurs dans le précédent modèle). Le système est illustré dans la figure 2. Le gel ou le système gel+cellule de mesure de conduction thermique est placé dans le réacteur. 2 mL de toluène y ont été ajoutés afin d'éviter l'évaporation brute de solvant dans le gel lorsque le CO2 entre dans le réacteur. Lorsque l'on introduit en plus de l'organogel, une cellule de mesure de conduction thermique, sa position est fixée par l'ajout de bille de verre. Le CO2 liquide est ensuite pompé dans le réacteur jusqu'à atteindre la pression de consigne de 90 bars, tout en maintenant Tréacteur à 15 °C. Après une phase d'homogénéisation de 5 minutes, la vanne de sortie est ouverte et réglée de façon à obtenir la pression P1 (colonne de séparateur) à 20 bars. La température de la colonne de séparation est maintenue à 3°C. La circulation du CO2 est maintenue pendant 10 minutes à un débit d'environ de 400 g/h. La température du réacteur est ensuite portée à 45 °C. Le CO2 circule alors pendant 2 h à un débit d'environ de 400 g/h et le toluène est prélevé des séparateurs toute les 15 minutes. 1.1.3. Caractéristiques des aérogels obtenus Ils sont donnés dans les figures 3 et 4. Les résultats obtenus par MEB et MET montrent que les aérogels obtenus sont constitués de fibres de diamètres moyens entre 25-200 nm et de longueur micrométrique. On peut également constater que ces matériaux sont très poreux (figure 3). Les caractéristiques de base de ces nanomatériaux aérogels sont les suivantes : 1. La densité du squelette: 1,346 � 0,002 g/cm3 (pycnométrie à l'hélium) 2. La densité : - 2,83 10-3 g/cm3 3. La surface spécifique (SSA): 90,5 m2/g (B.E.T avec adsorption à l'azote) 4. Le volume cumulé des pores: 1,482 cm2/g 5. Le diamètre moyen des pores : 35, 3 À déterminé par la méthode de B.C. Lippens et al. J. Catalysis (1964), 3, 32. A la pression atmosphérique la conductivité thermique mesurée par la méthode Flash (A. Degiovanni Diffusivité et Méthode Flash Revue générale de thermique n° 185 pp 417-442 Mai 1997) est proche de l'air et de l'ordre de 0,005 Wm'K-' sous vide. De plus, le caractère très hydrophobe du produit empêche toute reprise d'humidité, ce qui confère au produit une stabilité thermique dans le temps. Ainsi placé dans un bécher rempli d'eau, l'aérogel se dirige rapidement vers les parois du bécher afin d'éviter au maximum le contact avec l'eau. 5 REVENDICATIONS1. Matériau pour isolation thermique comprenant un aérogel obtenu par séchage d'un organogel préparé à partir de pseudopeptides de formule (I) O R H dans laquelle R représente une chaîne latérale d'un acide aminé naturel ou synthétique, R1 représente soit un groupe (C1-C8)alkyle droit ou ramifié, soit un groupe 10 (C1_C8)alcoxy droit ou ramifié, soit un groupe aryle, soit un groupe aryle(C1-C4)alkyle, soit un groupe aryloxy, soit un hétérocycle saturé ou insaturé, n = 1 ou 2 et A représente un groupe aromatique ou hétéroaromatique à un ou plusieurs cycles. 15 2. Matériau pour isolation thermique selon la revendication 1 caractérisé en ce que le pseudopeptide de formule (I) est choisi parmi ceux dans lesquels le groupe représente soit un groupe : soit un groupe ~NùN A I (I) R1 OC HN 20 3. Matériau pour isolation thermique selon l'une quelconque des revendications 1 et 2 caractérisé en ce que le pseudopeptide de formule (I) est choisi parmi ceux dans lesquels R représente soit -CH2Ph, soit -CH(CH3)3 soit ùCH2CH(CH3)3 et R, représente soit PhCH2OCO-, soit CH2=CH-CH2OCO-. 4. Matériau pour isolation thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce qu'il comprend en outre des additifs choisi parmi les liants, les 10 composés ioniques, les agents opacifiants et les fibres. 5. Matériau pour isolation thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que l'aérogel a une surface spécifique supérieure à 50 m2/g mesurée par B.E.T. par absorption d'azote. 6. Matériau pour isolation thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que l'aérogel présente un diamètre moyen des pores de 35,3 À. 7. Matériau pour isolation thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 20 caractérisé en ce que l'aérogel présente une conductivité thermique à pression atmosphérique inférieure à 0,04 W/m-' K-1. 8. Utilisation pour la préparation d'un matériau pour isolation thermique d'un aérogel obtenu par séchage d'un organogel préparé à partir de pseudopeptides de formule (I) O R H O O dans laquelle 15 R1 OC FIN 25 (1)R représente une chaîne latérale d'un acide aminé naturel ou synthétique, RI représente soit un groupe (C,-C8)alkyle, soit un groupe (C1-C8)alcoxy, soit un groupe aryle, soit un groupe aryloxy, soit un hétérocycle saturé ou insaturé, n = 1 ou 2 et A représente un groupe aromatique ou hétéroaromatique à un ou plusieurs cycles.