Electrical properties of film-forming polymer/graphene nanocomposites : Elaboration through latex route and characterization

par Amélie Noël

Thèse de doctorat en Science et Génie des Matériaux

Sous la direction de Jean-Paul Viricelle et de Élodie Bourgeat-Lami.

Soutenue le 27-11-2014

à Saint-Etienne, EMSE , dans le cadre de ED SIS 488 , en partenariat avec Département Mécanique physique et interfaces (laboratoire) .

Le président du jury était Didier Chaussy.

Le jury était composé de Jean-Paul Viricelle, Élodie Bourgeat-Lami, Didier Chaussy, Stefan Bon, Alain Pénicaud, Jenny Faucheu.

Les rapporteurs étaient Stefan Bon, Alain Pénicaud.

  • Titre traduit

    Propriétés électriques de nanocomposites souples polymère/graphène : Élaboration par voie latex et caractérisation


  • Résumé

    Les dispersions de nanocomposite à base aqueuse sont produites pour des applications diverses telles que les adhésifs, les revêtements et plus récemment les encres. Ce projet consiste à réaliser des encres conductrices nanocomposites comprenant des particules de polymère (latex) à basse température de transition vitreuse, Tg, pour la formation de films à température ambiante, et des plaquettes de graphène, en raison de leurs excellentes propriétés conductrices. Les charges conductrices, appelées multi-feuillets de graphène, sont réalisées par broyage en voie aqueuse de graphite (1-10 µm) stabilisées par différents tensio-actifs et/ou stabilisants. Cette méthode sans solvant et à bas coût permet de produire des suspensions de multi-feuillets (1-10 feuillets) de graphène. Les particules de polymères utilisées sont synthétisées par polymérisation en émulsion de monomères acrylates. Dans un second temps, des mélanges physiques de suspensions de graphène et de latex acrylates ont permis d’obtenir des encres nanocomposites. L’ajout de graphène permet l’obtention d’un seuil de percolation à bas taux de charge et une nette amélioration des propriétés électriques et du renfort. Le diamètre des billes de latex a une influence importante sur ces propriétés et a également été étudié. Afin d’augmenter la stabilité des suspensions et les interactions graphène/latex, des nanocomposites structurés ont été synthétisés par polymérisation in situ en émulsion, miniemulsion ou dispersion en présence de graphène. Les excellentes propriétés électriques associées à leur flexibilité font de ces matériaux des candidats adaptés pour la réalisation d’encres conductrices pour impression sur textile.


  • Résumé

    Printed electronics, particularly on flexible and textile substrates, raised a strong interest during the past decades. This project presents a procedure that provides a complete and consistent candidate for conductive inks based on a graphene/polymer nanocomposite material. It consists in the synthesis of conductive inks nanocomposites comprising polymer particles (latex) with low glass transition temperature, Tg, and graphene platelets, for the conductive properties. The conductive particles, named Nanosize Multilayered Graphene (NMG), are prepared by wet grinding delamination of micro-graphite suspensions stabilized by various surfactants and/or polymeric stabilizers. This solvent-free procedure allows the formation of NMG suspensions with low thickness (1-10 sheets). Polymer particles are synthetized by surfactant-free emulsion polymerization with acrylates monomers.Physical blending of latex particles and NMG platelets are performed to obtain conductive nanocomposites inks. Adding NMG induce a low percolation threshold and a sharp increase of the electrical and mechanical properties of the nanocomposites. Moreover, the polymer particles diameters have an impact on these properties.To increase the formation of a well-defined cellular microstructure, the nanocomposites are also synthetized by in situ polymerization in presence of NMG platelets, using emulsion, miniemulsion or dispersion polymerization. The excellent electrical properties of these nanocomposites associated to their flexibility make these materials suitable candidates for the production of conductive inks for textile printing applications.


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