Tout savoir sur les matériaux thermochromiques

C'est quoi un matériau thermochrome ?

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 (couleur) changent en fonction de la température (chaleur, refroissement).

Les matériaux thermosensibles peuvent-être des pigments, des colorants, des encres, des peintures, des vernis, des matières plastiques. Les domaines d'application pour cette nouvelle génération de matériaux intelligents sont très variés : sécurité industrielle et alimentaire, packaging intelligents,...

Nous entrons aujourd’hui dans l’avènement des matériaux multifonctionnels (pigments, encres & pigments), capables de s’adapter à leur environnement. C’est l’univers des matériaux intelligents. Il s’agit d’une véritable révolution pour le XXIe siècle, tout aussi importante que celle de la révolution de la communication ou des biotechnologies.

Quelles sont les grandes familles à propriété thermochrome ?

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

Les cristaux liquides thermosensibles

Il s’agit de la classe de pigments 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 »).

Au 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 pigments thermochromiques microencapsulés

Cette classe de pigments permet d’accéder à un effet thermochromique 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 pigments thermochromiques hybrides et inorganiques

A l'échelle d'un pigment hybride ou inorganique, la propriété thermochromique peut être obtenue 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 thermochromique 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, l'effet thermochromique 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 une réorganisation brutale de la 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 à l'effet thermochromique, un exemple typique est la modification du degré d’oxydation du Nickel. Le passage de Ni(OH)₂ à NiO + H₂O à 200°C induit une modification de la couleur 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 matériaux (pigments, peintures...) à propriété thermochrome sont nombreux, tout comme les mécanismes. Chacune de ces générations de matière thermochromique 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 de l'intelligence des couleurs pour concevoir sur-mesure des pigments, des encres et peintures.

Toutes nos productions sont issues de notre site industriel de Pessac et contrôlées selon des processus de fabrication rigoureux, sous la surveillance continue de notre laboratoire de contrôle de production. Chaque lot de fabrication (batch produit) est accompagné d’un certificat de performance.