[PDF] Couleurs de polymères chargés pour un environnement lumineux

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N°: 2009 ENAM XXXX

M

INES ParisTech

C entre de Mise en Forme des Matériaux (CEMEF)

1 rue Claude Daunesse, C.S. 10207, F-06904 Sophia Antipolis Cedex

École doctorale n°364 : Sciences Fondamentales et Appliquées présentée et soutenue publiquement par

BBeennjjaammiinn GGOOFFFFEETTTTEE

le 19 Juin 2013 Couleurs de polymères chargés pour un environnement lumineux A pplication à la recherche par le design d e matériau à changement chromatique

DDooccttoorraatt PPaarriissTTeecchh

TT HH ÈÈ SS EE

p our obtenir le grade de docteur délivré par LL""ÉÉCCOOLLEE NNAATTIIOONNAALLEE SSUUPPEERRIIEEUURREE DDEESS MMIINNEESS DDEE PPAARRIISS S pécialité " Sciences et Génie des Matériaux » Directeurs de thèse : Evelyne DARQUE-CERETTI et Bernard MONASSE T H S E Jury M

me Anne-Marie CHAZE, Professeur, LPMC, Université de Nice - Sophia Antipolis Président du jury

M

. Olivier ETERRADOSSI, Maître-Assistant HDR, C2MA - Pôle RIME, Ecole des Mines d"Alès Rapporteur

M

. Stéphane PAROLA, Professeur, LMFP - Université de Lyon 1, Ecole Normale Supérieure de Lyon Rapporteur

M

me Evelyne DARQUE-CERETTI, Maître de Recherche, CEMEF, MINES ParisTech Examinateur

M

. Pascal Di CROCE, Docteur-Ingénieur, Group R&D Center, Tarkett Examinateur

M

me Françoise GIULIERI, Docteur-Ingénieur, LPMC, Université de Nice - Sophia Antipolis Examinateur

M

. Bernard MONASSE, Maître de Recherche, CEMEF, MINES ParisTech Examinateur

M

. Patrick RENAUD, Professeur, DCIP, Ecole Nationale Supérieure des Arts Décoratifs de Paris Examinateur

Remerciements

\o

Remerciements

Et des dernières phrases naquirent les premières pages ... Si l"on garde habituellement

le meilleur pour la fin, je pense que, par " le meilleur », il faudra entendre " le plus difficile »

ou " l"un des plus délicats », n"excluant pas qu"il puisse toutefois être l"un des plus enthousiasmants. Profondément ancrée dans la tradition des thèses et des mémoires qui

l"inscrivent dans la banale évidence des formalités, l"écriture des remerciements n"en est pas

moins un exercice de fin équilibriste qui suppose de trouver les justes mots de reconnaissance, partagé entre l"amertume du souvenir des mauvais jours et l"exaltation

soudaine que la prise de recul fait étrangement naître en fin de thèse. S"il est de coutume de

lisser la section des remerciements d"un " Tout le monde il a été beau, tout le monde il a été

formidable », je vais tâcher d"entreprendre l"exercice avec un brin de sincérité vis-à-vis de

moi-même tout en veillant à ne pas trop allonger le propos ! Commençons par rendre à César ce qui est à César. L"idée de ce projet, de cette collaboration en triptyque entre design, sciences et industrie, je pense sans trop m"égarer la devoir à Patrick Renaud, qui a su identifier, dans la multiplicité confuse de mes projets

consécutifs à l"école d"ingénieur, une opportunité correspondant parfaitement à la direction

que je souhaitais à ce moment donner à mon parcours, précédant en ce sens le programme doctoral SACRe instauré dans les écoles de PSL (Paris Sciences Lettres) quasiment trois ans après notre première rencontre aux portes ouvertes de l"Ensad. Pour avoir insufflé la dynamique et m"avoir accompagné jusqu"à ma soutenance comme membre du jury, je souhaite vous témoigner, Patrick, une reconnaissance sincère et vous remercier de la chance

que vous m"avez donnée de pouvoir étudier à l"Ensad, à la fois à travers un petit programme

sur-mesure dans le cycle de formation du designer et comme étudiant-chercheur avec l"équipe DCIP.

C"est certainement le coté visionnaire de Patrick associé à mon envie de relever le défi d"un

projet difficile qui ont convaincu Evelyne et Bernard de prendre part à l"aventure en acceptant le rôle de directeurs de thèse. Si co-direction rimait, à mon plus grand bonheur (!), avec

double corrections pendant la rédaction du mémoire, je crois que la complémentarité du duo

était toutefois nécessaire de mon point de vue pour relativiser et presque désacraliser la

parole de son directeur de thèse. Se détacher d"un référent pour proposer ses propres choix

m"aurait certainement semblé plus difficile s"il avait été unique. Même si nous ne nous sommes pas toujours bien compris notamment sur les directions à prendre dans le travail ou

Remerciements

i/ dans la méthode à adopter, même si ces incompréhensions ont parfois mené à des frustrations voire de profondes remises en question particulièrement durant la période ingrate de la rédaction, même s"il subsiste encore des angles vifs ou des regrets (mais comment ne pourrait-il pas en être ainsi d"un projet si exigeant dont on attend beaucoup, et moi le premier ?), pour m"avoir fait confiance en acceptant de me guider, pour avoir cru en un

étudiant qui n"était pourtant pas a priori averti sur le sujet qui allait l"attendre, et surtout pour

vous être généreusement investis et avoir toujours été disponibles pour moi sans jamais

fermer votre porte, je ne vais pas vous témoigner toute " ma profonde gratitude » comme on peut souvent le lire car je trouve l"expression d"une solennité pesante, mais tout simplement

vous dire un grand " Merci » tout en couleurs ! Et puis j"ai malgré tout bien apprécié nos

discussions à bâtons rompus entre bureaux et couloir, de Corelli à Harnoncourt, en passant par le cinéma de Haneke ou l"univers du théâtre. C"est quand même pas mal de se rappeler que la vie n"est pas faite que de films plastiques au toucher visqueux troublés à la craie et dont l"odeur indispose ... Les applications nous rappellent heureusement que les polymères

peuvent aussi être des matériaux avenants, en témoignent les résultats du projet que nous

avons développé avec Tarkett et l"Ensad. Pour avoir répondu positivement à mes sollicitations soutenues par Patrick, Evelyne et Bernard, pour avoir concrétisé leur engagement sous la forme d"un contrat CIFRE avec l"ANR

que je remercie également, pour l"expérience industrielle et la connaissance de leurs métiers

qu"elles m"ont apporté, je tiens à remercier très chaleureusement la société Tarkett et ses

équipes, et tout particulièrement Anne-Christine Ayed et Béatrice Mange pour m"avoir témoigné leur confiance en me proposant une mission de recherche financée à la jonction entre sciences et design, ainsi que Richard Peres et Pascal di Croce pour leur suivi régulier

tout au long du projet et leurs conseils avisés. J"ai vraiment apprécié, Pascal, ton dynamisme

et ton enthousiasme quand nous avons travaillé avec les étudiants de l"Ensad mais également que tu aies pu répondre présent le jour de ma soutenance en apportant ton regard pragmatique sur la conduite de ma thèse et ses résultats. Estelle, Mélissa et Alice, vous avez certainement votre place sur cette page. Travailler ensemble a été un vrai plaisir, et je regrette de n"avoir pas pu, par manque de temps, me

consacrer à d"autres projets avec vous. J"ai particulièrement été sensible à votre curiosité sur

la science n"ayant jamais manifesté de rejet vis-à-vis d"énoncés obscurs de physique ou

d"équations décourageantes, ce qui a largement facilité nos rapports, au même titre que j"ai

choisi de m"ouvrir vers le monde du design. J"espère sincèrement pouvoir à l"avenir collaborer

de nouveau avec vous.

Remerciements

\ii Si le début de ces remerciements m"a permis de souligner l"importance de la contribution de mes encadrants académique et industriels à mes travaux, je ne pouvais pas ne pas poursuivre en m"adressant aux autres membres de mon jury, qui ont accepté de relire attentivement

mon mémoire. Merci à Stéphane Parola pour sa réactivité et sa disponibilité lorsqu"il a

accepté, suite aux changements administratifs, de prendre en urgence la casquette de rapporteur, et à Olivier Eterradossi pour son éclairage pertinent et les sources bibliographiques complémentaires qu"il a pris le soin de me transmettre pour parachever mes

travaux. Une pensée particulière à Françoise Giulieri qui a effectué un travail approfondi de

relecture que j"ai beaucoup apprécié ! Merci enfin à Anne-Marie Chaze d"avoir coordonné cette mémorable soutenance en tant que président du jury. Difficile de ne pas allonger le propos quand on ne veut oublier personne ... Je garde, pour finir, une place particulière à toutes les personnes que j"ai pu côtoyer et dont la

personnalité, la mission ou les échanges que j"ai pu avoir avec elles, ont catalysé la réussite de

ce projet et m"ont enrichi sur le plan personnel : L"équipe DCIP (Marti & Martin, Cristo, Bo, Bina) et ses encadrants Elisabeth et Antonin, ainsi que les étudiants de la section Design Objet, la direction et le personnel de l"Ensad et les professeurs dont j"ai suivi les cours, notamment Vonnik et Christian qui ont fait spécialement le déplacement jusqu"à Sophia Antipolis pour ma soutenance. Votre présence a permis de conclure de manière concrète ma thèse en partenariat avec l"Ensad, en espérant que cette première initiative fasse des petits !

Les équipes Tarkett, et notamment les opérateurs André, Roland et Patrice pour leur volonté de relever des défis et leur sympathie, Johnny pour la coordination, Christelle, Myriam et Vincent pour la logistique ainsi que tous les techniciens et ingénieurs de

Wiltz, Sedan et Clervaux pour m"avoir aiguillé au sein de Tarkett lorsque j"avais besoin d"informations pour mon travail. Merci à Remy d"avoir assuré le partenariat avec l"Ensad au niveau du design, dans la continuité de ce qu"avaient engagé Aurélie et Sandrine, que je remercie également pour leur créativité et les idées qu"elles ont pu faire germer en moi.

L"Ecole des Mines de Paris, le Cemef et sa direction, pour m"avoir permis d"étudier dans d"excellentes conditions, au niveau des ressources tant humaines que matérielles, et les professeurs de l"Ecole (dont Béatrice qui est venue de Paris le 19

Juin). Je tiens à remercier spécialement Suzanne pour sa bonne humeur sans faille et sa patience pour obtenir de belles images avec le MEB, ainsi que Manu et les techniciens de la délégation pour m"avoir préparé une installation visionconf au poil le

Remerciements

iii/ jour de la soutenance qui a été très largement appréciée du public ! Merci au groupe SET (Alain, Eric, Pierre, Fred & Fred ...), aux ingénieurs et techniciens du Cemef (Eric, Simon, ...) et aux étudiants de Paris et Sophia (Ana, Ala, Eleonore et les autres) notamment les anciens (Hicham et la fine équipe pour m"avoir accompagné à mes débuts ici, et aux vacances mémorables avec Slipette :p). Merci à Murielle, Anicette et

Marie-Françoise pour leur gentillesse.

Tous mes professeurs du secondaire, de prépa (Soleil, Goz & Antonia) et d"école d"ingénieur qui ont contribué dans ma formation à ce que je puisse écrire un jour cette

page de remerciements dans mon mémoire de thèse. Mes amis d"horizons divers, dont ceux qui étaient là le jour de ma soutenance et qui pour certains sont venus de loin, " mon ami Serge » (qui finalement continue de traverser l"espace avec moi sans jamais disparaître ... moi aussi, je serai là à TA soutenance !), Jet, Giorgio et mes amis baroqueux, ainsi que les professeurs du CNRR de Nice qui m"ont tant apporté en plaisir et en culture durant ces deux années. Merci

Raph de m"avoir ouvert la porte du DMA !

Une dernière toute petite place dans cette page à ma famille, descendue des montagnes pour

venir sur la Côte m"écouter gloser sur des considérations chromatiques, toute petite place qui

suffit ici car les parrraiiinnnn et lasssssooeuuyyyiiiirrrr connaissent bien l"étendue de celle qu"ils occupent dans mon coeur.

Finalement,

On dirait bien que " Tout le monde il a été beau, tout le monde il a été formidable », non ? ...

Eh, zut !

Notations et abréviations

\iv

Notations et abréviations

A

CF Autocorrelation Function

A

FM Atomic Force Microscopy

A

FNOR Association Française de Normalisation

A

IC Association Internationale de la Couleur

B RDF Bidirectionnal Reflectance Distribution Function C emef Centre de Mise en Forme des Matériaux C

CD Charge-Coupled Device

C

IE Commission Internationale de l"Eclairage

CSS Confocal Scanning System

D

CIP Design Conception Innovation Prospective

D

INP Di-isononyl Phtalate

D RX Diffractomètre ou Diffractomètrie de Rayons X E

DS Energy Dispersive Spectroscopy

E nsad Ecole Nationale Supérieure des Arts Décoratifs F

EG Field Emission Gun

G SC Gonio-Spectro-Colorimètre ou Gonio-Spectro-Colorimètrie L

MH Largeur à Mi-Hauteur (gaussienne)

L

MS Long Medium Short

M EB Microscope ou Microscopie Electronique à Balayage

MFI Melt Flow Index

M OT Microscope ou Microscopie Optique en Transmission N

CS Natural Color System

O

N Ouverture Numérique

P

E Polyéthylène

P

EBD Polyéthylène de Basse Densité

P

MOP Plan de Mise au Point

P

SD Power Spectral Density

P

VC Polychlorure de Vinyle

P

VD Physical Vapor Deposition

R &D Recherche et Développement

RVB Rouge Vert Bleu

T

F Transformée de Fourier

Notations et abréviations

v/ C (% vol.) Concentration du pigment dans la matrice C * Chrominance ou saturation dans l"espace CIE-L*a*b* E i (W.m-2) Eclairement reçu par le matériau E * Couleur dans l"espace CIE-L*a*b* I

Intensité lumineuse moyenne en niveau de gris

L (W.m-3.sr-1) Luminance énergétique monochromatique ou radiance L * Luminance ou clarté du noir au blanc dans l"espace CIE-L*a*b* R ² Coefficient de corrélation (par la méthode des moindres carrés) R () (%) Réflectance matériau par rapport au blanc de référence R sp Coefficient de réflexion de Fresnel moyenné en intensité S (m²) Surface du matériau S a , Sq (µm) Moyennes arithmétique et quadratique des hauteurs des rugosités T Température du procédé (°C) ou Température de couleur de la source (°K) V (m/min) Vitesse de production du film polymère de la calandre X , Y, Z Coordonnées trichromatiques correspondant respectivement aux cônes L (rouge), M (vert) et S (bleu). Y désigne aussi la luminance ou clarté dans l"espace CIE-Yxy Xn , Yn , Zn Coordonnées trichromatiques du blanc de référence a , b, c (nm) Paramètres de maille orthorhombique a

1 , ... , a6 Coefficients de dispersion de Sellmeier

a * Coordonnée de chrominance du vert au rouge dans l"espace CIE-L*a*b* b * Coordonnée de chrominance du bleu au jaune dans l"espace CIE-L*a*b* c (m.s-1) Célérité d"une onde monochromatique de longueur d"onde d Distance chromatique euclidienne ou chrominance dans l"espace CIE-Yxy e

Ecart-type d"une série de valeurs réelles

h (J.s) Constante de Planck i (°) Angle d"incidence de la lumière k() Indice d"absorption k

B (J.K-1) Constante de Boltzmann

l x , ly (m) Longueurs de corrélation dans les directions x et y n , n, n Indice de réfraction réel, ordinaire, extraordinaire p e Pureté d"excitation ou saturation dans l"espace CIE-Yxy s (x , y) Vibration lumineuse ou amplitude complexe du champ électrique x c (%) Taux de cristallinité z , Ž (µm) Coordonnée verticale, Altitude du plan moyen des rugosités

Notations et abréviations

\vi ΔC* Variation de chrominance du matériau entre les illuminants LED et halogène E* Variation de couleur du matériau entre les illuminants LED et halogène n Biréfringence du matériau (W) Flux lumineux (sr) Angle solide Demi-angle au sommet du cône d"ouverture numérique Paramètre de rendement quantique du capteur photométrique

Fonction de Dirac

(mm) Epaisseur du film polymère

Rapport de distance source-matériau

(°) Angle d"observation du matériau ou d"orientation des facettes (nm) Longueur d"onde

Densité

(nm) Paramètre de forme (gaussienne)

Notations et abréviations

vii/

Table des Matières

\viii

Table des Matières

IINNTTRROODDUUCCTTIIOONN GGEENNEERRAALLEE ..................................................................................................... 1

1

. MMAATTEERRIIAAUUXX EETT PPRROOCCEEDDEESS DDEE MMIISSEE EENN FFOORRMMEE ................................................................ 5

1

.1 Description et propriétés des composants .............................................................. 7

1.1.1 Physico-chimie et propriétés optiques des polymères non chargés ................................ 7

1.1.2 Physico-chimie et propriétés optiques des charges et pigments .................................... 13

1.1.3 Préparation des polymères chargés......................................................................................... 19

1

.2 Procédés de mise en forme ....................................................................................... 21

1.2.1 Procédé de calandrage et conditions expérimentales ........................................................ 21

1.2.2 Rhéologie des polymères dans le procédé de calandrage ................................................. 22

1.2.3 Procédé de grainage mécanique ............................................................................................... 24

1.2.4 Dispersion des pigments après mise en forme..................................................................... 25

1

.3 Tableau récapitulatif des matériaux calandrés et grainés ................................. 27

1

.4 Propriétés des pigments colorés et mise en forme ............................................. 28

2

IINNFFLLUUEENNCCEE DDEE LLAA CCOOMMPPOOSSIITTIIOONN VVOOLLUUMMIIQQUUEE SSUURR LLAA CCOOUULLEEUURR ..................................... 31

2 .1 Modèles d"absorption-diffusion en volume : Etat de l"art ................................. 35

2.1.1 Concentration en pigments et propriétés optiques ............................................................ 36

2.1.2 Modèles de diffusion du matériau hétérogène .................................................................... 36

2.1.3 Modèles de diffusion particulaire ............................................................................................ 38

2.1.4 Conclusion ...................................................................................................................................... 40

2

.2 Propriétés colorimétriques en lumière diffuse des polymères chargés ......... 41

2.2.1 Principe de la colorimétrie en lumière diffuse et espace CIE-Yxy .................................. 41

2.2.2 Influence de la nature et de la concentration des charges ................................................ 43

quotesdbs_dbs35.pdfusesText_40

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