Développement de la thermoporométrie pour la caractérisation des solides méso- et macroporeux : applications aux matériaux nanocellulosiques et membranaires

Le/a stagiaire sera basé(e) à IMT Atlantique - laboratoire GEPEA UMR CNRS 6144 (Nantes) et effectuera des campagnes de mesures DSC sur le site d’INRAE à Nantes (Unité BIA).

Contexte. Les matériaux macroporeux (pores > 50 nm) sont largement utilisés dans de nombreux procédés, notamment comme médias superabsorbants, filtrants, membranaires (contacteurs gaz/liquide), ou encore comme isolants sous forme de mousses et d’aérogels. Leurs propriétés fonctionnelles sont fortement dépendantes de leur structure poreuse, dont la caractérisation reste un défi majeur.

La physisorption des gaz, couramment utilisée pour l’analyse texturale des solides micro- et mésoporeux, s’avère inefficace pour les macropores en raison de l’absence de condensation capillaire. Actuellement, la porosimétrie par intrusion de mercure (MIP) est la méthode de référence pour déterminer la distribution des tailles de méso- et macropores. Bien qu’elle offre une bonne représentativité à l’échelle de grain de matériau, son utilisation devient de plus en plus restrictive en raison de la toxicité du mercure et des contraintes associées à la gestion des déchets générés.

La thermoporométrie représente une alternative à la MIP pour certains domaines de la porosité. Cette technique repose sur l’analyse de la température de cristallisation et de fusion d’un liquide intra-poreux au moyen de la calorimétrie différentielle à balayage (DSC) lors des cycles de refroidissement et de chauffe. En fonction des propriétés de liquide employé (eau, cyclohexane, o-xylène), elle permet de caractériser différentes plages de porosité, incluant la méso- et macroporosité.

Objectif du stage. L’objectif de ce stage est d’évaluer le potentiel de la thermoporométrie pour caractériser un large spectre de solides macroporeux, incluant les matériaux fonctionnels nanocellulosiques (films, gels, mousses, aérogels), des médias membranaires (membranes à fibres creuses) et filtrats utilisés en procédés de traitement de gaz.

Missions. Le stage s’articulera autour de trois tâches principales :

1. Étude bibliographique :
   • Analyser l’état de l’art sur la thermporométrie et les approches existantes pour modéliser les données DSC. Recenser les méthodes thermodynamiques et empiriques permettant de déduire les tailles et volumes de pores.
2. Caractérisation de matériaux de référence :
   • Appliquer la thermporométrie sur une série de matériaux méso- et macroporeux avec la porosités connus. Valider les apprches de modélisation en comparant les résultats obtenus avec ceux issus de techniques complémentaires, telles que la physisorption de N₂, la MIP u la microscopie électronique à balayage (MEB).
3. Production et exploitation des données :

• Réaliser des mesures DSC sur des matériaux bisourcés (films, gels, mousses, aérogels) ainsi que sur des médias filtrants et membranaires.
• Appliquer les différentes apprches de modélisation pour déduire les propriétés texturales de ces matériaux.

Étudiant(e) en Master 2 (ou équivalent) dans les domaines de la physique des matériaux, du génie des procédés ou de la physico-chimie. Intérêt marqué pour le travail expérimental et l’analyse de données