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L'œil de l’expert

C'est quoi un matériau thermochromique ?

Un produit thermochrome (du grec thermos la température et chromos la couleur) est, par définition, un composé constitué d’un pigment/colorant dont les propriétés optiques changent en fonction de la température (chaleur, refroissement). La matière devient réactive à l’exposition d’une source de chaleur et sa couleur change. Les matériaux thermosensibles peuvent-être des pigments, des colorants, des encres, des peintures, des vernis, des matières plastiques et les domaines d'application sont très variés : sécurité, packaging intelligents,...

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Quelles sont les grandes familles de thermochromes ?

Il existe aujourd’hui des 3 grandes familles : les produits thermosensibles organiques, les hybrides et les inorganiques.

 

Les cristaux liquides thermosensibles

Il s’agit de la classe de produits organiques qui présente la particularité de changer d’état (transition de phase) avec la température en faisant intervenir une série de transitions avec des propriétés physico-chimiques intermédiaires entre le cristal et le liquide (cristaux liquides dits aussi mésomorphes = du grec « de forme intermédiaire »).

smart material thermochormicAu cours de cette transformation, l’orientation des molécules est totalement bouleversée. L'exposition à la chaleur entraîne un accroissement de l’agitation thermique et un désordre croissant allant d’une phase très organisée (cristal) à une phase totalement désordonnée (liquide). A l’état cristallin, l’ordre est tridimensionnel géré par des interactions à longue distance tandis qu’à l’état mésomorphe il est de courte portée contrôlé par quelques molécules. C’est l’orientation de ces unités qui permet de distinguer le type de mésophases : nématique, smectique et cholestérique.

La caractéristique principale de ces cristaux liquides dits « thermotropes » est de contenir au moins une entité aromatique et des chaînes linaires plus ou moins ramifiées, à l’exemple du 4-n-pentylbenzenethio-4’-n-decyloxybenzoate, de la molécule discoïde hexa-4-octyloxybenzoate de triphénylène, de polymères linéaires, à chaînes latérales ou combinées.

Biréfringence, constantes élastiques, viscosité ou seuil de transition sont des paramètres de première importance pour choisir le bon mésomorphe. En  fonction de l’agencement moléculaire, différentes couleurs de cristaux liquides thermochromes sont accessibles. Il s’agit généralement d’une séquence qui passe du noir (voire rouge, orange) à températures élevées aux couleurs spectrales bleue (violet) à basses températures.

 

Les composés thermochromiques microencapsulés

Cette classe de matériaux permet d’accéder à des propriétés thermosensibles entre −5 °C et 80 °C. Il s’agit de microcapsules constituées de trois composants : un colorant (color former), un acide faible (color developer) et un solvant.

  1. Le colorant est une molécule organique chimiochrome, qui a la capacité de changer d’état (coloré à incolore) avec son environnement chimique (pH du milieu). Les dérivés les plus utilisés sont : les spirolactones, fluorans, spiropyranes, ou encore fulgides.
  2. L’acide faible joue sur l’équilibre de la forme acide/basique du colorant. C’est un donneur de protons. Ce composant est responsable de la réponse réversible du matériau thermochromique, et est responsable de l’intensité de la couleur du produit final. Le color developer standard est le bisphénol A.
  3. Le solvant est le troisième élément de la microcapsule thermochromique. Il s’agit généralement de solvants polaires comme un alcool ou un ester.

La présence d’une microcapsule est un avantage indéniable pour conserver l'intégrité chimique et la réversibilité du phénomène. Par contre, cette classe de composés est extrêmement sensible aux forces de cisaillement.

 

Les dérivés thermochromiques hybrides et inorganiques

A l'échelle d'un pigment hybride ou inorganique, le thermochromisme peut être obtenu à partir de différents mécanismes physico-chimiques évoluant avec la température comme la dilatation thermique, le changement de coordination, la modification du champ cristallin, la décomposition chimique.

Pour certains dérivés, la dilatation thermique des liaisons chimiques conduit à éloigner les cations des anions. Il en résulte une évolution progressive des propriétés avec la température. Un matériau initialement blanc (absorbant à la frontière UV-visible) peut ainsi devenir jaune par déplacement progressif de son front d’absorption (déplacé vers les longueurs d’onde du visible).

Pour d’autres composés, le thermochromisme est associé à une modification de la coordination. C’est notamment le cas pour le composé NiMoO4, qui passe de vert à jaune quand la température augmente. Le polyèdre de coordination du molybdène change de symétrie. Il passe d’une symétrie octaédrique à basse température à tétraédrique à haute température. Certains dérivés du cuivre présentent également ce phénomène en raison de la dilatation thermique des liaisons chimiques par effet Jahn-Teller.

Dans certains cas, la modification du champ cristallin provoque un changement brutal de configuration électronique avec le passage d’un champ faible à un champ fort. Ce phénomène appelé transition de spin est notamment rencontré pour des complexes de coordination contenant un ou plusieurs centres métalliques ayant une configuration 3d4, 3d6 ou 3d7.

Concernant l’évolution de la réactivité chimique couplée au thermochromisme, un exemple typique est le changement du degré d’oxydation du Nickel. Le passage de Ni(OH)2 à NiO + H2O à 200°C se traduit au niveau colorimétrique par un changement du vert au gris foncé. Il est également possible de faire réagir de l’oxyde de cobalt (noir) et de l’alumine (blanche) pour former le composé CoAl2O4 (bleu) à haute température. On peut aussi mélanger du carbonate de baryum (blanc) à de l’hématite (rouge) pour former le composé BaFeO3 (gris foncé) à haute température.

 

Conclusion

Les exemples de composés thermochromes sont nombreux, tout comme les mécanismes. Chacune de ces générations présente des avantages et des limites au regard de l'application ciblée. Nous mettons à votre disposition nos 15 années d’expérience dans le domaine des revêtements thermochromes pour concevoir et produire des encres et peintures à forte valeur ajoutée.