Synthèse et modification de pigments inorganiques pour affichage électrophorétique en couleurs

Synthesis and modification of inorganic pigments for the electrophoretic colour displays

• Auteur / Autrice : Béatrice Serment
• Direction : Manuel Gaudon, Cyril Brochon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physico-Chimie de la Matière Condensée
• Date : Soutenance le 03/10/2019
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de chimie de la matière condensée de Bordeaux (Pessac) - Laboratoire de Chimie des Polymères Organiques (Bordeaux)
• Jury : Président / Présidente : Mario Maglione
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Manuel Gaudon, Cyril Brochon, Thierry Gacoin, Élodie Bourgeat-Lami, Benoît Pichon, Thierry Le Mercier, Maryline Guilloux-Viry
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thierry Gacoin, Élodie Bourgeat-Lami

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux hybrides

Solutions solides

Composés inorganiques

Mots clés libres

Encres électrophorétiques

Pigments

Polymérisation en dispersion

Métaux de transition

Particules hybrides

Couleur

Electrophoretic inks

Pigments

Dispersion polymerisation

Transition metals

Hybrids particles

Colour

Résumé

Ces travaux de thèse portent sur la synthèse de particules hybrides à partir de pigments inorganiques pour la formulation d’encres électrophorétiques colorées. Les pigments doivent répondre à un cahier des charges spécifique à ce type d’application. Ils doivent avoir une taille sub-micronique, une faible densité et un haut indice de réfraction afin d’exalter les phénomènes de diffusion. Les pigments bleus et cyan de structure spinelle CoAl2O4 et NiAl2O4 ont été synthétisés par voie Pechini. Dans les deux cas, des phénomènes de démixtion influençant la couleur ont été observés. Cependant, de par la différence de rayon ionique entre le Co2+ et le Ni2+ (rCo2+ < rNi2+), les origines en sont différentes. Dans le premier cas il a fallu éliminer les ions Co3+ stabilisés en site [6] pour obtenir une phase pure où la majorité des ions cobalt occupent les sites [4]. Dans le second cas l’ajout d’ions Al3+ a été nécessaire pour stabiliser une phase spinelle pure en présence de lacunes cationiques et d’ions Ni2+ occupant partiellement les sites [4] et [6]. Ensuite, nous avons développé des pigments magenta et jaunes de structure olivine explorant la solution solide LiCoxNi1-xPO4. Dans ces composés, l’étude des transitions électroniques corrélées à la structure et à l’environnement des ions chromophores Ni2+ et Co2+ en site [6] a permis de montrer des champs cristallins proches et un effet néphélauxétique presque identique. Finalement l’analyse de l’état de valence du chrome dans les structures de type rutile SnxCr1-xO2 a permis de synthétiser des pigments violets. Dans un second temps, la surface des pigments a été modifiée avec des chaines silanes de type n-trimethoxysilane afin de favoriser la dispersion des pigments dans un milieu apolaire. Puis les pigments modifiés ont été polymérisés dans l’Isopar G par polymérisation radicalaire contrôlée par les nitroxydes avec du méthacrylate de méthyle afin de diminuer la densité globale des particules hybrides et ainsi obtenir des encres stables. L’étude de l’influence des conditions expérimentales a été effectuée sur chaque pigment afin de formuler des encres colorées et chargées sans ajout de contrôleur de charge. La réalisation d’un dispositif électrophorétique à deux couleurs bleu et blanc a finalement pu être développé.

This work deals with the hybrid particles synthesis, using inorganic pigment for the coloured electrophoretic inks formulation. To comply with this type of application, pigments must have a sub-micrometer size, a low density and a high refractive index in order to exalt the diffusion phenomena. Blue and cyan spinel structure pigments CoAl2O4 and NiAl2O4 have been synthesized by Pechini process. In both these oxides, steric and electronic effects allowed stabilizing pure phases with enhanced colouring effects. In the case of CoAl2O4, we have to avoid the occurrence of Co3+ (LS) whereas for NiAl2O4, excess of Al3+ is necessary to get pure phases with nanosized crystallites. Then, magenta and yellow olivine structure pigments have been developed with the exploration of the solid solution LiCoxNi1-xPO4. In these compounds, the study of the electronic transitions combined with Ni2+ and Co2+ chromophores ions structure and environment in [6] site leads to comparable crystal field and so an almost similar nephelauxetic effect for both ions. Finally, the investigation of the valence state and the environment of chromium in rutile type structure Sn1-xCrxO2 allowed the synthesis of purple pigments. In a second part, the pigment surface has been modified with n-trimethoxysilane chains to improve the pigment dispersion in apolar media. Then, modified pigments have been polymerised in Isopar-G by nitroxyde mediated radical polymerisation with methyl methacrylate to decrease the hybrids density and to obtain stable inks. The impact of the experimental conditions has been studied on each pigments in order to formulate coloured and charged inks without any charge control agent. A two-colour electrophoretic device (blue/white) has been finally tested.