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Les surfaces passent à l'action

Publié le

Informer, filtrer des rayonnements, jouer le rôle de capteur, s'autoréparer voire produire un jour de l'énergie : au-delà de la simple protection, traitements et revêtements peuvent doter les surfaces de véritables fonctions actives.

- Traitement de surface Des techniques de plasma sous vide ou à pression atmosphérique permettent de : - modifier la nature physico-chimique de la surface - déposer des couches minces fonctionnelles

- Revêtement de surface Des peintures ou des vernis protègent la surface des agressions extérieures ou lui confèrent des fonctions spécifiques

protéger Doter la surface de propriétés anti-UV, antirayure, anticorrosion, antigraffiti, antisalissure, de résistance au feu...

informer - Certifier l'authenticité d'un produit - Signaler qu'il est devenu impropre à l'usage - Mesurer les contraintes, la pression...

agir - Filtrer le rayonnement infrarouge - Dépolluer l'atmosphère - Rétablir l'intégrité d'un revêtement

AUTOCICATRISATION

Fini les éraflures sur la carrosserie. Nissan a mis au point un revêtement auto-cicatrisant. Cette peinture intégrant une résine élastique est capable de combler une fissure en un temps record, allant d'une journée à une semaine en fonction de la profondeur et de la température.

THERMOCHROMIE

Recouverte d'une peinture aux propriétés thermochromes, cette bouilloire change de couleur en fonction de la température de son contenant. Une fonction à la fois ludique et utile, puisqu'elle permet ainsi de limiter les risques de brûlure.

HYDROPHOBIE

La goutte d'eau ne peut pénétrer dans ce textile, traité par trempage selon le procédé de greffage polymère développé par Pegas-Tech. Nul besoin de « réimperméabiliser » le textile, il est désormais intrinsèquement hydrophobe.

LE PLASMA ATMOSPHÉRIQUE

Principe Ultra-réactif, le gaz ionisé réagit avec un « précurseur » qui polymérise à la surface de la pièce.

Matériaux cibles Plastique, verre, métal, textile, céramique, bois

Avantage Pas besoin d'étape de séchage Inconvénient Risque d'hétérogénéité sur des surfaces complexes

Applications Revêtement localisé pour l'automobile ou l'aéronautique, textiles techniques, microélectronique

LE TREMPAGE

Principe Ce dépôt en milieu aqueux fait appel à des activateurs. Des liaisons covalentes sont créées entre la couche mince et la surface.

Matériaux cibles Verre, plastique, métal, céramique, bois, textile...

Avantage Pas besoin d'apport électrique Inconvénient Etape de séchage nécessaire

Applications Métallisation de polymères, textiles techniques, biomédical, microélectronique

Plus besoin de s'encombrer d'un chargeur quand on part en voyage ! Le téléphone portable se recharge « tout seul », car il est recouvert d'une peinture qui utilise la lumière du soleil pour produire de l'électricité. Aujourd'hui, c'est encore de la science-fiction... Mais des scientifiques de l'Institut national de l'énergie solaire (Ines) travaillent sur des cellules photovoltaïques élaborées en solution, qui pourraient être déposées en couches minces par voie de solvant. Comme une encre ou une peinture, dont l'application suffira un jour à transformer n'importe quelle surface en producteur d'énergie.

AU-DELÀ DE LA PROTECTION

En attendant, grâce aux progrès de la chimie et des techniques de traitement de surface, des revêtements vont déjà au-delà de leur rôle protecteur : ils renseignent sur la qualité d'un produit, indiquent l'état du matériau qu'ils recouvrent ou encore induisent des économies d'énergie. Certains savent même se réparer tout seul ! La propriété thermochrome de certains polymères - le changement de couleur en fonction de la température - est exploitée pour indiquer qu'un objet est devenu impropre à l'utilisation. Ces polymères sont parfois directement mélangés dans la masse, lors de la fabrication des pièces en plastique. Mais il est difficile de les intégrer directement à un textile ou à une pièce en céramique, par exemple. C'est pourquoi les chercheurs ont imaginé des revêtements qui confèrent ce type de fonction aux surfaces sur lesquelles ils sont déposés. Des systèmes moléculaires, qui changent de couleur en réponse à un changement de température ou à d'autres stimuli (rayonnement UV, présence de solvants, contraintes mécaniques spécifiques, modification de pH, etc.), sont encapsulés et intégrés à des encres, des peintures ou des vernis.

Ces changements de couleur sont déjà utilisés dans la lutte anticontrefaçon. L'exemple des billets de banque est bien connu. Passée sous une lampe à UV, l'encre recouvrant certaines zones réagit et laisse paraître de quoi authentifier le billet. Autre illustration : chauffée entre les mains, l'étiquette d'un produit textile de luxe fait apparaître le logo de la marque, garantissant ainsi son authenticité. D'autres revêtements, dont la couleur varie en fonction des contraintes - torsion, écrasement, rupture - ou de la pression (piézochromes), sont utilisés en laboratoire comme témoins pour modéliser soit les contraintes à la surface de pièces, soit les écoulements de fluides dans des tuyaux plastiques. « A terme, on peut imaginer que cela remplace les capteurs électroniques », prévoit Laurent Rougeau, docteur et ingénieur de recherche au laboratoire des matériaux organiques aux propriétés spécifiques (LMOPS, Université de Savoie).

Lorsqu'il est irréversible, le changement de couleur en fonction de la température pourrait informer que la chaîne du froid d'un produit surgelé a été rompue. Tout le problème est d'obtenir un système thermochrome qui fonctionne dans les bonnes plages de température, et à la vitesse voulue. « Chaque réaction chimique a sa propre cinétique, qui ne correspond pas forcément aux directives de la Direction régionale de la concurrence, de la consommation et de la répression des fraudes (DGCCRF) », explique Laurent Rougeau. Par exemple, cette instance administrative indique que le système doit changer de couleur à -15 °C (la température de conservation étant de -18 °C) en 15 minutes. Or, aujourd'hui, pour changer de couleur à cette température, il faut encore 30 minutes au système étudié par les chercheurs du LMOPS, qui travaillent donc à améliorer sa cinétique.

D'autres fonctions actives en surface s'efforcent de répondre aux exigences croissantes d'économie d'énergie et de lutte contre la pollution.

LA VITRE BLOQUE LA CHALEUR AU-DESSUS DE 30 °C

Les recherches sur des systèmes à base d'oxyde de vanadium, opaques ou transparents aux infrarouges selon la température, permettent d'imaginer un revêtement qui réduirait la facture énergétique d'une habitation. Un tel revêtement de quelques microns d'épaisseur seulement, appliqué sur les fenêtres, laisse passer les rayons du soleil dans le domaine du visible quelle que soit la température. En revanche, il ne laisse passer les infrarouges qu'en deçà d'une certaine température intérieure (30 °C environ), chauffant ainsi l'habitation. Au-dessus de cette température, le revêtement « bloque » les infrarouges sans rien modifier au visible. Un brevet a été déposé par un laboratoire japonais (National Institute of Advanced Industrial Science and Technology), et un site pilote a été équipé.

Dans la lignée des bâtiments « écolo », le cimentier Italcementi propose depuis quelques années son ciment dépolluant Tx Aria. Du dioxyde de titane, aux propriétés photocatalytiques, est incorporé à un ciment classique. Excité par les rayons ultra-violets, ce dioxyde de titane permet de dégrader les gaz polluants NOx en molécules inoffensives. Cette propriété dépolluante n'est plus limitée à des structures en extérieur. Grâce à un éclairage spécifique avec des lampes UV, le procédé peut fonctionner en intérieur : il a été mis en oeuvre dans le tunnel Umberto Ier, à Rome.

LE GREFFAGE PERMETTRAIT UN GRAND NOMBRE DE FONCTIONS

Moins spectaculaires, les revêtements dont la fonction est de protéger le matériau - antigraffiti, antisalissure, antirayure, antifouling, etc. - font toujours l'objet d'études soutenues. Mais même dans ce domaine plus traditionnel, des fonctions actives apparaissent. Le constructeur automobile japonais Nissan a par exemple mis au point une peinture constituée d'une couche résineuse capable de « cicatriser ». Eraflée, la carrosserie d'un véhicule recouvert de cette peinture comble le sillon formé. De leur côté, des chercheurs de la University of Southern Mississippi ont mis au point un revêtement de type film en polyuréthane pouvant également se réparer seul. Lorsque le polymère à la base de ce revêtement est exposé à des UV, une réaction chimique permet de régénérer localement la couche. Avant d'envisager une commercialisation, des tests devront s'assurer que cette fonction tient sur le long terme. En dehors de l'automobile, le monde des petits objets électroniques comme les téléphones portables ou les lecteurs mp3 est également concerné.

Pour réaliser des revêtements innovants, protecteurs ou actifs, des techniques plus sophistiquées de greffage chimique, par traitement plasma ou par trempage, semblent bien placées. Chez AcXys Technologies un fabricant d'équipements industriels de traitement par plasma atmosphérique, l'accent a notamment été mis sur des applications pour le textile, afin de le rendre hydrophobe et oléophobe et de lui conférer ainsi une fonction antitache. De son côté, Pegas-Tech, une start-up issue du CEA et créée en juillet 2009, s'est concentrée sur le marché du biomédical. L'entreprise s'appuie sur un procédé permettant de greffer, en solution, des polymères sur un grand nombre de matériaux (verre, bois, textile, plastique, métal, etc.), en une seule étape. « On apporte en particulier une fonction de lubrification pour des dispositifs coulissants comme les seringues par exemple », illustre Sébastien Roussel, l'un des inventeurs du procédé et PDG de la société. « On garantit ainsi l'absence d'injection du silicone aux patients », précise-t-il. Un très grand nombre de fonctions sont théoriquement réalisables par greffage. Mais les faire accéder au stade industriel demandera une plus grande maîtrise de l'homogénéité du traitement sur l'ensemble de la surface, en particulier pour les pièces de géométrie 3D.

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