Soutenance de thèse d’Eleni Effraimopoulou

Aérogels à base de pectine pour la superisolation thermique

Eleni Effraimopoulou a réalisé sa thèse de doctorat sous la direction de Tatiana Budtova, équipe S&P et Arnaud Rigacci, centre PERSEE Mines Paris – PSL. Elle présente ses travaux de recherche et soutient sa thèse de doctorat le  24 septembre 2025 devant le jury suivant :

• Aurelia CHARLOT, INSA Lyon (Rapporteur)
• Natalie JOB, University of Liège (Rapporteur)
• Sylvie CALAS-ETIENNE, Université de Montpellier (Examinateur)
• Merima HASANI, Chalmers University of Technology (Examinateur)
• Wim MALFAIT, EMPA – Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology (Examinateur)
• Tatiana BUDTOVA, Mines Paris, PSL, Centre CEMEF (Examinateur)
• Arnaud RIGACCI, Mines Paris, PSL, Centre PERSEE (Examinateur)
• Julien JAXEL, Mines Paris, PSL, Centre PERSEE (Examinateur)
• Gino MAGIANTE, Cargill (Invité)

Résumé :

Cette thèse répond au besoin prégnant de matériaux d’isolation thermique à haute performance, durables et économiquement viables dans de nombreux secteurs, face aux défis environnementaux et énergétiques croissants induits par le changement climatique. Dans ce contexte, l’isolation thermique joue un rôle clé dans la réduction de la consommation d’énergie, notamment dans le bâtiment, mais aussi dans d’autres secteurs tels que les transports et les systèmes industriels. Les matériaux isolants conventionnels, bien qu’utilisés à grande échelle, ne parviennent souvent pas à satisfaire simultanément les exigences de performance et de maitrise de l’impact environnemental, en particulier dans des environnements contraints en espace, comme la rénovation intérieure des bâtiments existants.

Parmi les solutions étudiées, les aérogels sont les seuls matériaux capables d’offrir une superisolation intrinsèque (c’est-à-dire une conductivité thermique inférieure à celle de l’air) dans des conditions ambiantes, grâce à leur nanostructure unique et leur mésoporosité. Les aérogels de silice – les plus développés à ce jour – présentent néanmoins des coûts de production élevés et une fragilité mécanique et les aérogels polymères synthétiques potentiellement intéressants impliquent des procédés peu durables et/ou toxiques. En réponse à ces limites, les aérogels biosourcés, en particulier ceux dérivés de la pectine – un polysaccharide extrait de résidus agroalimentaires tels que les écorces d’agrumes ou les marcs de pommes – représentent une alternative très prometteuse. Les aérogels de pectine allient non-toxicité, conductivité thermique ultra-faible (jusqu’à 0,015 W m-1 K-1) et valorisation des déchets, en accord avec les principes de l’économie circulaire.

Malgré leur potentiel, les aérogels de pectine rencontrent deux principaux obstacles à leur adoption industrielle : (1) leur forte hygroscopicité, qui conduit à une dégradation structurelle et une perte de performance thermique dans le temps (phénomène de vieillissement) et (2) la nécessité d’un séchage au CO2 supercritique, un procédé coûteux en capital et en énergie et de fait, peu adapté à une production à grande échelle. Les objectifs de cette thèse sont donc particulièrement ambitieux puisqu’ils visent à lever ces verrous en développant de nouveaux matériaux à base de pectine, capables de conserver leurs propriétés superisolantes, de rester stables dans des environnements humides et d’être élaborés selon des procédés plus simples et plus industrialisables.

Les travaux présentés dans ce travail sont structurés selon deux axes principaux : (i) améliorer la résistance à l’humidité des aérogels de pectine par différentes modifications chimiques telles que l’hydrophobisation via le dépôt de silice, le greffage d’amines et le revêtement par voie polyurée et (ii) permettre la production de matériaux de type aérogels via un séchage évaporatif, éliminant ainsi le recours au séchage supercritique. Des protocoles de synthèse complets et des méthodes de caractérisation approfondies ont été mis en œuvre pour évaluer les propriétés des matériaux développés : densité, morphologie interne, surface spécifique, propriétés mécaniques, conductivité thermique et l’évolution de ces propriétés en environnement fortement humide. Les résultats obtenus démontrent la faisabilité des objectifs fixés et ouvrent la voie à la génération d’aérogels biosourcés, robustes, peu coûteux et plus durables, adaptés aux enveloppes de bâtiments à haute performance énergétique ainsi qu’à d’autres applications à fort impact dans le cadre des transitions énergétique et écologique.

Mots-clés : matériaux nanostructurés, aérogels, pectine, isolation thermique, vieillissement thermo-hydrique, modification hydrophobe