FR2981083A1 - Procede d'encapsulation d'un pigment inorganique par polymerisation en milieu organique - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne le domaine des encres pour dispositifs d'affichage électrophorétiques, et plus particulièrement un procédé d'encapsulation, d'au moins un pigment inorganique par polymérisation par dispersion en milieu organique. Le procédé consiste à disperser le pigment inorganique dans le milieu organique, puis à synthétiser au moins un latex de polymère stable dans ledit milieu organique, ledit latex précipitant autour dudit pigment inorganique pour former une coque protectrice et obtenir ainsi une particule, ladite synthèse du latex étant réalisée par polymérisation, dans ledit milieu organique, d'un monomère fonctionnel chargeable électrostatiquement, à partir d'une utilisation d'un macro-amorceur apte à stabiliser ladite particule obtenue.
Description
PROCEDE D'ENCAPSULATION D'UN PIGMENT INORGANIQUE PAR POLYMERISATION EN MILIEU ORGANIQUE La présente invention concerne le domaine des encres pour dispositifs d'affichage électrophorétiques, et plus particulièrement de l'encapsulation, en milieu organique, de pigments inorganiques par des polymères chargeables positivement ou négativement. Plus précisément, l'invention se rapporte à un procédé d'encapsulation d'un pigment inorganique par polymérisation par dispersion en milieu organique, une utilisation d'un tel procédé pour fabriquer une encre électrophorétique, et une encre électrophorétique élaborée à partir d'un tel procédé. Il existe actuellement essentiellement deux modes d'affichage d'informations. Il y a d'une part les afficheurs électroniques de type à cristaux liquides LCD (acronyme anglais pour « Liquid Crystal Display ») ou de type plasma par exemple, et d'autre part les affichages par impression sur support papier. Les afficheurs électroniques présentent un grand avantage car ils sont capables de mettre à jour rapidement des informations affichées et donc du changer de contenu, on dit aussi qu'ils sont réinscriptibles. Ce type d'afficheur est cependant complexe à réaliser puisque sa fabrication nécessite un travail en salle blanche et de l'électronique de pointe. Il est par conséquent relativement coûteux. Les affichages faits par impression sur support papier, quant à eux, peuvent être produits en masse car très peu chers, mais ne permettent pas de réinscrire des informations par-dessus les anciennes. Ce type d'affichage fait partie des affichages non réinscriptibles. L'idée de pouvoir combiner les avantages des deux technologies est née il y a quelques années. Un afficheur flexible pouvant être fabriqué à bas coût et en grand volume a été réalisé. Cet afficheur est l'analogue du papier mais en version électronique, c'est-à-dire que les informations affichées sur ce support peuvent être effacées pour laisser place à un autre contenu de manière rapide. De plus, contrairement aux écrans existants qui nécessitent d'être toujours alimentés en énergie pour pouvoir fonctionner, le papier électronique ne consomme que très peu d'énergie, seulement au moment du changement d'affichage. A une époque où la consommation d'énergie est un problème majeur, avoir un dispositif d'affichage réutilisable, flexible, mimant le papier et ne consommant quasiment pas d'énergie est une grande opportunité. D'autre part, le papier électronique est un dispositif réflectif, d'où un confort de lecture nettement accru en comparaison des écrans avec rétro-éclairage qui fatiguent l'oeil de manière plus importante. Ce type d'afficheur repose sur la technologie EPIDS (acronyme anglais pour « ElectroPhoretic Image DisplayS »). Cette technologie consiste à disperser des particules chargées dans un milieu non conducteur entre deux électrodes parallèles. Plus précisément, l'afficheur comprend une électrode de surface conductrice, une cavité comportant des pixels remplis d'encre électrophorétique, et une électrode de fond raccordée à des transistors, chaque transistor permettant de commander un pixel. Les pixels peuvent être réalisés de différentes manières. Ils peuvent par exemple être réalisés au moyen d'une grille qui compartimente la cavité en autant de pixels nécessaires pour réaliser l'affichage, ou bien ils peuvent se présenter sous la forme de microcapsules, chaque microcapsule définissant un pixel et étant remplie de ladite encre. L'encre électrophorétique comporte des nanoparticules généralement blanches chargées négativement, plongées dans un colorant noir. Lors de l'application d'un champ électrique, les nanoparticules blanches de chaque pixel vont migrer vers l'une ou l'autre des électrodes. Ainsi, lorsque l'on applique un champ électrique négatif, les nanoparticules blanches se placent sur une extrémité du pixel laissant apparaitre leur couleur blanche ou la couleur du colorant noir selon leur position par rapport à la surface de l'afficheur. Par conséquent, en plaçant des millions de pixels dans la cavité de l'afficheur et en les commandant par des champs électriques, au moyen d'un circuit électronique destiné à gérer l'affichage des informations, on peut générer une image bicolore. Un des avantages de ce type d'affichage est que le contraste obtenu dépend directement de la migration des nanoparticules et de la couleur de celles-ci. De plus, l'affichage obtenu est bistable puisque l'image reste en place même une fois le champ électrique coupé. De tels afficheurs reposant sur la technologie EPIDS sont notamment envisagés pour équiper des téléphones portables, des tablettes électroniques, des livres électroniques ou encore des afficheurs embarqués sur cartes à puce par exemple.
Concernant les nanoparticules, elles sont synthétisées à partir d'un pigment inorganique qui est encapsulé dans, ou qui recouvre, un polymère chargeable électrostatiquement. La synthèse colloïdale de ces nanoparticules composites, comprenant des matériaux inorganiques combinés avec des polymères, suscite un 2 9 81083 3 grand intérêt de par la variété de leurs applications. Ce type de nanoparticules peut en effet être utilisé dans des cellules photovoltaïques, ou en imagerie médicale, ou encore dans les encres par exemple. Les propriétés de telles nanoparticules sont ainsi très nombreuses du fait des différentes combinaisons, de la nature des 5 matériaux inorganique/organique, ainsi que la structure qu'elles peuvent adopter, telle qu'une structure de type coeur-écorce, ou multicouches, ou framboise, ou multipodes par exemple. Les voies d'encapsulation de particules inorganiques sont multiples et présentent chacune leurs caractéristiques propres. Une méthode d'encapsulation très utilisée est l'émulsion dans sa forme 10 classique, ainsi que dans ses déclinaisons, telles que la mini-émulsion ou l'émulsion inverse par exemple. Lorsque l'on se focalise sur les pigments, le composé inorganique de référence est le dioxyde de titane TiO2. Dans l'article intitulé « synthesis and characterization of titania coated polystyrene core-shell spheres for electronic ink », paru dans la revue synthetic Metals, 2005-152 (1-3), p.9-12, Jang I.B 15 et al décrivent la synthèse de microparticules composites de polystyrène - TiO2 dans une émulsion de polystyrène. L'encapsulation de TiO2 peut également être réalisée par émulsion dans du méthacrylate de méthyl mais aussi dans des monomères introduisant des fonctionnalités de surfaces comme le polyacide acrylique, ou encore la poly(4-vinylpyridine). Balida,M. et al ont d'ailleurs décrit l'encapsulation de TiO2 20 dans des microparticules cationiques de poly(4-vinylpyridine) dans l'article intitulé « Encapsulation of TiO2 in poly(4-vinylpyridine)-based cationic microparticles for electrophoretic inks » paru dans la revue Polymer, 2008, 49(21) p4529 - 4533. Des particules de type core-shell, encore dénommées coeur-écorce, sont obtenues par ces méthodes. Ces particules sont stables dans des milieux aqueux, et des agents 25 tensioactifs chargés sont utilisés comme stabilisant électrostatique, tel que l'agent tensioactif SDS (dodecylsulfate de sodium). Le milieu dispersant de l'encre électrophorétique finale, élaborée à partir de ces particules, est un milieu organique apolaire ou peu polaire. Or un tel agent tensioactif utilisé comme stabilisant électrostatique n'est pas adapté à la dispersion en milieu organique, car dans ce type 30 de milieu apolaire ou peu polaire, tel qu'un alcane ou le toluène par exemple, les répulsions électrostatiques ont peu ou pas d'efficacité et le seul moyen de stabiliser les particules dans un tel milieu est de compter sur l'aspect stérique.
La stabilisation de pigments peut aussi se faire par greffage ou adsorption de tensioactifs polymériques ou non, qui apportent les barrières énergétiques suffisantes pour disperser les pigments. Ainsi par exemple, dans l'article intitulé « Synthesis and characterization of blue electronic ink microcapsules » Journal of Shenzhen University Science and Engineering, 2009, 26(3) p.251-256, Ni,Z et al décrivent la préparation d'encres électrophorétiques à base de Bleu de Phtalocyanine (BGS) stabilisé par du bromure trimethylique cetylique d'ammonium (CTAB) qui est un agent tensioactif cationique utilisé comme stabilisant et du Sorbitan monooléate (Span 80) qui est un agent tensioactif anionique utilisé comme agent émulsifiant. Cette méthode est facile à mettre en oeuvre car elle ne nécessite que de mélanger le pigment aux tensioactifs dans le milieu choisi et de soniquer si besoin. Elle présente cependant un gros inconvénient puisqu'aucune couche polymère ne permet de protéger le pigment notamment contre l'agrégation ou la sédimentation. Des méthodes d'encapsulation par polymérisation en précipitation ou en dispersion sont aussi utilisées. Selon ces méthodes, le polymère est formé in situ, en présence du pigment, et précipite sur le pigment lorsqu'une certaine longueur de chaine est atteinte. Ces polymérisations sont en général effectuées en milieu alcoolique léger, tel que l'éthanol, le méthanol, ou un mélange éthanol/eau par exemple, et mettent en jeu des monomères comme le styrène, le méthacrylate de méthyl (MMA) ou l'acide acrylique. Werts et al, dans leur article intitulé « Titanium dioxide-Polymer core-shell particules dispersion as electronic inks for electrophoretic displays », Chemistry of Material, 2008, 20(4) p1292-1298, décrivent par exemple une méthode d'encapsulation de particules de TiO2 par polymérisation par précipitation d'un polymère non fonctionnel autour du pigment de TiO2. Une fonctionnalité est ensuite rajoutée au polymère en introduisant, par greffage, un groupement acide à la surface de la particule composite synthétisée. Ces méthodes permettent d'obtenir deux grands types de structures de particules. Le premier type de particules comprend un coeur de pigment et une écorce de polymère et le deuxième type de particules comprend un coeur de polymère sur lequel vient précipiter un pigment, par hydrolyse d'un précurseur de pigment, comme du tetrabutyl titanate dans le cas du dioxyde de titane TiO2 par exemple.
Toutes les techniques d'encapsulation qui viennent d'être citées permettent d'obtenir des nanoparticules composites stables seulement dans des milieux aqueux ou alcooliques légers. Si les particules doivent ensuite être placées dans un milieu organique, tel qu'une huile de paraffine ou un alcane, comme ce doit être le cas pour une encre électrophorétique, il se pose alors un problème de stabilisation. La solution, dans ce cas, consiste à faire un échange de tensioactifs. Cette étape est cependant très délicate à mettre en oeuvre car les particules risquent de s'agréger de manière irréversible. De plus, la majorité des encapsulations se font avec des polymères non fonctionnels, tel que le styrène, auquel on vient rajouter la fonctionnalité désirée, après coup, à l'aide de tensioactifs ou par greffage de groupements acide ou basique à la surface des particules. Ces synthèses de nanoparticules sont donc relativement complexes et coûteuses à mettre en oeuvre. Or, dans un contexte propice pour le développement d'un moyen d'affichage reposant sur la technologie EPIDS, l'amélioration de la synthèse des nanoparticules devient cruciale, de manière à réduire le coût de l'encre, mais aussi pour augmenter la performance des dispositifs d'affichage associés, pour réduire encore leur coût de production et donc pour augmenter leur compétitivité sur le marché. L'invention a donc pour but de remédier à au moins un des inconvénients de l'art antérieur. L'invention vise notamment à permettre la mise au point d'un procédé d'encapsulation de pigments par des polymères fonctionnels chargeables électrostatiquement, directement en milieu organique apolaire, et permettant d'apporter une grande stabilité aux particules. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé d'encapsulation d'au moins un pigment inorganique par polymérisation par dispersion en milieu organique, consistant à disperser ledit pigment inorganique dans ledit milieu organique, puis à synthétiser au moins un latex de polymère stable dans ledit milieu organique, ledit latex précipitant autour dudit pigment inorganique pour former une coque protectrice et obtenir ainsi une particule, ladite synthèse du latex étant réalisée par polymérisation, dans ledit milieu organique, d'un monomère fonctionnel chargeable électrostatiquement, à partir d'une utilisation d'un macro-amorceur apte à stabiliser ladite particule obtenue.
Ainsi, la synthèse du latex et l'encapsulation du pigment inorganique par ce même latex se passent dans le même milieu organique. Il n'y a donc pas besoin de changer de milieu après la synthèse du latex et avant l'encapsulation, les particules sont stables dans le milieu organique d'un bout à l'autre du procédé. Grâce à ce procédé d'encapsulation, la synthèse des particules destinées à la fabrication d'une encre électrophorétique est donc grandement simplifiée puisque tout se passe dans le même milieu. Le milieu organique apolaire dans lequel l'encapsulation des pigments inorganiques est réalisée constitue alors le milieu dispersant de l'encre électrophorétique finale, utilisable pour les dispositifs d'affichage électrophorétiques.
Selon un mode de réalisation, la synthèse du latex est réalisée par polymérisation, dans ledit milieu organique, d'un monomère fonctionnel chargeable électrostatiquement, à partir d'une utilisation combinée d'un macro-amorceur, apte à stabiliser ladite particule obtenue, et d'un co-amorceur. Selon un autre mode de réalisation, la synthèse du latex est réalisée par polymérisation, dans ledit milieu organique, d'un monomère fonctionnel chargeable électrostatiquement, à partir d'un macroamorceur. L'utilisation combinée du macro-amorceur et du co-amorceur permet non seulement de stabiliser les particules obtenues, mais également de contrôler leur taille, de sorte que la taille des particules obtenues soit compatible avec l'application visée d'encre électrophorétique pour dispositif d'affichage électrophorétique. De manière avantageuse, le milieu organique est apolaire et choisi parmi l'un des solvants suivants : le toluène ou un alcane, tel que l'octane par exemple. Le co-amorceur est un amorceur de polymérisation. Le co-amorceur utilisé est de préférence un amorceur de polymérisation fabriqué et commercialisé par la société Arkema sous la marque « Blockbuilder ». Le macro-amorceur est un copolymère synthétisé à partir d'un monomère de type acrylate et dudit co-amorceur. Le monomère de type acrylate peut par exemple être choisi parmi les monomères suivants : 2-ethylhexyl acrylate, octyl acrylate, lauryl acrylate, octadécyl acrylate.
Le ratio molaire de macro-amorceur / co-amorceur utilisé est avantageusement compris entre 0,5 et 40. De préférence, il est compris entre 2,5 et 30 . Un tel ratio permet d'obtenir des particules de taille comprise entre 0,5 et 2pm. De manière avantageuse, l'utilisation combinée d'un co-amorceur et d'un macro-amorceur, dans ces proportions, permet de contrôler la taille des particules obtenues puisque la taille des particules de latex varie en fonction des taux de macro-amorceur et de co- amorceur, à taux de monomère fixe. Le pigment ainsi encapsulé dans la coque protectrice de polymère forme une particule. Le monomère fonctionnel chargeable électrostatiquement est choisi parmi : la 4-vinylpyridine ou le diméthylaminométhacrylate-co-styrène pour pouvoir charger cette particule positivement et d'autre part, un acide acrylique ou méthacrylique ou ses dérivés copolymérisés ou non avec un autre monomère neutre choisi parmi le styrène ou le méthacrylate de méthyle, pour pouvoir charger cette particule négativement. Le monomère, grâce à l'utilisation combinée du co-amorceur et du macro- amorceur, va polymériser et, en polymérisant, il précipite sur les particules de pigment en dispersion. La coque de polymère ainsi formée protège le pigment de l'agrégation et de la sédimentation. Cette coque donne la faculté à la particule finale de se charger car elle est constituée de polymères fonctionnels, c'est-à-dire de polymères comprenant des groupements acides ou basiques aptes à accueillir une charge. Ainsi, par exemple la 4-vinylpyridine est connue comme étant un composé basique. Par conséquent, le polymère fonctionnel formé à partir de la 4-vinylpyridine, placé en présence de iodométhane par exemple, va capter le groupe méthyl, quaternisant son atome d'azote,et se charger positivement. Une autre façon de charger les polymères fonctionnels consiste simplement à mettre les motifs basiques et acides des coques polymères en contact afin d'échanger les protons et de faire apparaitre les charges. Ainsi, par exemple, un polymère basique comprenant par exemple un atome d'azote, en présence d'une molécule d'acide telle que de l'acide chloridrique par exemple, va gagner un proton qui s'accroche à l'atome d'azote par une liaison covalente, le quaternisant, et se charger ainsi positivement. L'utilisation combinée du macro-amorceur et du co-amorceur dans un ratio molaire macroamorceur / co-amorceur allant de 0.5 à 40, permet l'obtention de particules de tailles comprises entre 50nm et 50pm. Lorsque ce ratio est de préférence compris entre 2,5 et 30, les particules obtenues présentent une taille comprise entre 0,5 et 2pm .
Préalablement à sa dispersion, le pigment inorganique est soumis à un traitement de surface, de manière à accroitre son hydrophobicité puis il est dispersé dans le milieu organique au moyen d'ultrasons. Ce traitement de surface peut par exemple consister en un greffage de chaines carbonées sur les groupements hydroxyles du pigment afin d'accroitre son hydrophobicité. Une fois la modification de surface réalisée, on utilise les ultrasons pour disperser le pigment. Selon une variante de réalisation, préalablement à sa dispersion, on mélange le pigment inorganique à un agent tensioactif, de manière à modifier sa tension superficielle. Le pigment inorganique est ensuite dispersé dans le milieu organique apolaire au moyen d'ultrasons. Le tensioactif utilisé est par exemple le sorbitan monooléate (SPAN 80). L'invention se rapporte en outre à l'utilisation d'un tel procédé d'encapsulation pour la fabrication d'une encre électrophorétique comprenant des particules chargées positivement et renfermant un premier pigment et des particules chargées négativement renfermant un deuxième pigment, lesdites particules chargées positivement et négativement étant synthétisées séparément dans un même milieu organique apolaire puis mélangées, ledit milieu organique apolaire constituant le milieu dispersant de ladite encre électrophorétique. L'invention se rapporte enfin à une encre électrophorétique comprenant deux types de particules, un premier type étant chargé positivement et renfermant un premier pigment, un deuxième type étant chargé négativement et renfermant un deuxième pigment, ladite encre électrophorétique étant caractérisée en ce qu'elle comprend un milieu dispersant identique ou compatible avec le milieu organique apolaire dans lequel chaque type de particules est synthétisé selon le procédé d'encapsulation précité. Pour ce qui précède et dans la suite de la description on désigne indifféremment par : - co-amorceur ou amorceur, un additif servant à démarrer une réaction de polymérisation. Après l'amorce de la réaction de polymérisation, le coamorceur forme un homopolymère qui, par sa précipitation sera à l'origine des particules et responsable de leur grossissement. Dans toute la suite de la description, le co- amorceur utilisé est un amorceur fabriqué et commercialisé par la société Arkema sous la marque « Blockbuilder » ; - et par macro-amorceur, un additif composé d'une chaine de polymère hydrophobe, servant à la stabilisation des particules, et d'une partie amorceuse qui sert à démarrer la réaction de polymérisation et abouti finalement à la formation d'un copolymère. Dans la suite de la description, pour bien différentier la chaine de polymère hydrophobe servant à la stabilisation des particules, on la désigne par les termes « cheveu de répulsion stérique ». Le macro-amorceur est avantageusement synthétisé à partir du co-amorceur. Par conséquent, la partie amorceuse du macro- amorceur est identique au co-amorceur. Le macro-amorceur et le co-amorceur amorcent tous les deux en parallèle la réaction de polymérisation d'un monomère fonctionnel. A la fin de la réaction de polymérisation, il se forme un copolymère comprenant une chaine polymère nouvellement formée au bout du cheveu de répulsion stérique et qui est ancrée dans la particule. Ainsi, le cheveu de répulsion stérique reste accroché à la particule et peut ainsi la stabiliser dans le milieu organique apolaire. Le co-amorceur lui, sert juste à amorcer la réaction et fabrique uniquement un homopolymère. La combinaison de ces deux amorceurs dans des proportions adéquates, permet de contrôler précisément la taille des particules de latex qui vont être obtenue à la fin. En effet, la proportion entre les deux types d'amorceurs va influencer le rapport homopolymère sur copolymère et ainsi la taille des particules obtenues. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture des exemples suivants donnés à titre d'exemple illustratif et non limitatif, en référence à la figure 1 qui représente un schéma de principe des étapes du procédé d'encapsulation selon l'invention. La figure 1 schématise le principe du procédé d'encapsulation selon l'invention. Ce procédé permet d'encapsuler des particules de pigment inorganique par des polymères fonctionnels chargeables qui précipitent directement sur les particules dans un seul et même milieu organique apolaire ou du moins très peu polaire. De préférence ce milieu organique apolaire est choisi parmi des solvants tels que le toluène, ou un alcane comme l'octane par exemple. Ce solvant constitue avantageusement le milieu dispersant de l'encre finale ou, tout au moins, il est compatible avec celui-ci. L'encre finale peut ainsi être réalisée par simple mélange d'au moins deux dispersions organiques contenant chacune un pigment différent, les pigments de chaque dispersion étant encapsulés respectivement dans des polymères de charges opposées. Lors de la polymérisation en dispersion, les monomères chargeables sont toujours solubles dans les phases organiques alors que les polymères correspondants ne le sont pas. Le pigment, référencé 10 sur la figure 1, est tout simplement dispersé dans le milieu organique, référencé 11 sur la figure 1, grâce à un traitement de surface ou à un agent tensioactif. Le traitement de surface peut par exemple consister en un greffage de chaines carbonées sur les groupements hydroxyles du pigment afin d'accroitre son hydrophobicité. Une fois la modification de surface réalisée, on utilise les ultrasons pour disperser le pigment.
Selon une variante de réalisation on utilise un agent tensioactif tel que le sorbitan monooléate (SPAN 80), de manière à modifier la tension superficielle du pigment. Le pigment inorganique est ensuite dispersé dans le milieu organique apolaire au moyen d'ultrasons. Ensuite, une réaction de polymérisation est réalisée de sorte que le polymère synthétisé précipite à la surface du pigment inorganique pour faire apparaitre une coque de polymère qui le protégera de l'agrégation et la sédimentation, le stabilisera et lui apportera la faculté de se charger en milieu organique apolaire. Pour que le polymère fonctionnel chargeable puisse précipiter autour du pigment et former la coque protectrice, l'utilisation combinée d'un co-amorceur et d'un macro-amorceur permet non seulement d'amorcer cette réaction de polymérisation mais aussi d'apporter une grande stabilité aux particules ainsi synthétisées, et de contrôler très précisément leur taille. Cette étape de polymérisation d'un monomère, référencé M sur la figure 1, par précipitation sur le pigment, est avantageusement réalisée en présence d'un co-amorceur, référencé A sur la figure 1, et d'un macro- amorceur référencé MA sur la figure 1. Le macro-amorceur MA est schématisé par un rond correspondant à la partie chargée de l'amorçage de la polymérisation, et par une 2 9 8 1083 11 chaine qui lui est reliée et qui correspond à la chaine de polymère servant à la stabilisation stérique des particules, encore dénommée cheveu de répulsion stérique. Le macro-amorceur MA est avantageusement synthétisé à partir du co- amorceur A et d'un monomère de type acrylate, tel que le 2-ethylhexyl acrylate, l'octyl 5 acrylate, le lauryl acrylate, ou l'octadécyl acrylate par exemple. De plus l'ajout d'un co-amorceur A en complément du macro-amorceur MA, dans des proportions adéquates, permet de contrôler très précisément la taille des particules formées. Lorsque le monomère M, le macro-amorceur MA et le co-amorceur A sont ajoutés au milieu organique 11 contenant les pigments en dispersion 10, la solution 10 est chauffée à une température par exemple comprise entre 100 et 130°C, de préférence 120°C et agitée à 300 tours par minute (RPM). Des particules 12 commencent alors à se former à la surface des pigments. La solution est maintenue sous agitation pendant une durée comprise entre 6 et 12h. A l'issue de cette période, on obtient des particules 14 de type « core-shell » ou coeur-écorce, stables en milieu 15 organique, plus précisément les particules obtenues appartiennent à la sous- catégorie de particules de type « raspberry » ou « framboise » . Les coques protectrices polymères ainsi formées autour des pigments sont synthétisées à partir de monomères fonctionnels. Les monomères fonctionnels sont choisis en fonction de la charge finale que la particule devra porter. Ainsi, pour avoir 20 des particules chargées positivement par exemple, le polymère fonctionnel recouvrant les pigments est formé à partir de monomères de 4-vinylpyridine, ou de dimethylaminomethacrylate-co-styrene par exemple. Pour avoir des particules chargées négativement, le polymère fonctionnel recouvrant les pigments est formé à partir d'un acide acrylique, ou methacrylique et ses dérivés, copolymérisés ou non, 25 avec un autre monomère neutre comme le styrène ou le MMA (méthacrylate de méthyle). Il n'y a qu'un seul type de coque polymère par pigment. Ainsi, par exemple des particules rouges ont des coques négatives alors que des particules blanches ont des coques positives. Une particule blanche ne peut avoir une coque positive et en même 30 temps une coque négative. Exemple 1 : synthèse d'une particule blanche chargée positivement Les produits utilisés pour cette synthèse sont les suivants : un pigment blanc de dioxyde de Titane TiO2, du Span 80 (sobitan monooléate) en tant qu'agent tensioactif pour permettre une bonne dispersion des particules de pigment dans le solvant apolaire, le co-amorceur commercialisé par la société Arkema sous la marque « Blockbuilder », du 2-ethylhexyl acrylate destiné à être utilisé pour la synthèse du macro-amorceur, de la 4-vinylpyridine qui est le monomère destiné à former la coque polymère chargée positivement et encapsulant le pigment blanc, du toluène en tant que solvant apolaire. Les monomères de 2-ethylhexyl acrylate et de 4-vinylpyridine sont préalablement purifiés sur un agent desséchant, tel que l'hydrure de Calcium CaH2, et distillés sous pression réduite afin d'éliminer un éventuel inhibiteur résiduel. 1ere étape : Synthèse du macro-amorceur : Dans un ballon de 100m1, on mélange 1.33g de co-amorceur et 26.10g de 2- ethylhexylacrylate dans 30m1 de toluène. La solution est agitée jusqu'à ce qu'elle soit homogène. Des cycles vide/azote sont ensuite effectués sous agitation pour enlever tous les gaz dissouts. Le ballon est ensuite chauffé à 120°C pendant 2h sous agitation et ensuite refroidi dans un bain d'eau froide. On précipite le macro-amorceur ainsi formé dans le méthanol pour le purifier du monomère restant. Le liquide visqueux obtenu est ensuite séché sous vide à 50°C pour enlever les restes de solvant. Le macro-amorceur ainsi synthétisé est prêt à être utilisé pour l'étape ultérieure d'encapsulation du pigment. 2eme étaie : Enca-sulation du Il l - ment de TiO2 -ar -ol mérisation en dispersion Dans un bécher de 250 ml, on mélange 3g de TiO2 et 4g de SPAN 80 (Sorbitan monooléate) dans 200m1 de toluène. Le SPAN 80 est l'agent tensioactif qui permet une meilleure dispersion des particules de pigment dans le solvant organique apolaire. On agiter la solution pendant environ 5 min jusqu'à dissolution totale du SPAN 80, puis on soumet le mélange aux ultrasons afin de bien disperser les particules de pigment. Pour cela, on utilise une sonde à ultrasons dont la puissance est réglée à environ 420W pendant 8 min, en alternant 2s d'impulsion et 2s de repos.
Pendant cette sonication, le bécher contenant la suspension est placé dans un bain d'eau froide pour éviter une montée en température du milieu organique.
Dans le même temps on dissout 0.2g de macro-amorceur et 0.5 mg de coamorceur dans 5m1 de toluène. On prépare également 5m1 de 4-vinylpyridine à ajouter. Dès la fin de la sonication, on verse immédiatement la dispersion de TiO2 dans un réacteur de 250m1 à agitation mécanique à 300 tours par minute. On ajoute ensuite dans le réacteur le mélange de macro-amorceur et de co-amorceur dissout dans le toluène, puis la 4-vinylpyridine et on chauffe l'ensemble à 120°C pendant 12h sous balayage d'azote. La 4-vinylpyridine est le monomère qui va former la coque de polymère autour du pigment et que l'on va ensuite pouvoir charger positivement. On récupère ensuite les particules blanches ainsi synthétisées puis on les purifie par centrifugation/redispersion à 3000 tours par minute dans le toluène. Cette étape de centrifugation permet de ne conserver que des particules de taille homogène. Une autre manière de récupérer des particules de taille homogène consiste à effectuer une dialyse. Les particules blanches synthétisées de la manière décrite dans l'exemple de réalisation sont ensuite chargées positivement en présence d'iodométhane par exemple. Elles sont ensuite mélangées à une deuxième population de particules d'une couleur différente et de charge opposée afin de former une encre électrophorétique bicolore. L'exemple qui vient d'être décrit pour une particule blanche est valable pour n'importe quel pigment. Ainsi, parmi les pigments utilisés pour les différentes couleurs, on peut par exemple utiliser : -pour le rouge, de l'hématite ou du rouge de cadmium, -pour le vert, du vert de cobalt ou de l'oxyde de chrome, -pour le bleu, du silicate de cuivre ou du bleu de cobalt, -pour le noir, du noir de carbone ou de la magnétite. Cette liste de pigments n'est pas exhaustive et n'importe quel pigment inorganique (oxyde, silicate,...) peut être utilisé pourvu qu'il possède les couleurs choisies pour élaborer une encre déterminée. Exemple 2 : influence du taux de co-amorceur et de macro-amorceur sur la 30 taille des particules obtenues Pour l'application visée d'encre électrophorétique pour dispositif d'affichage électrophorétique, la taille des particules de pigment encapsulé peut être comprise entre 50nm et 50pm. En dessous de 50nm on risque d'avoir des chaines de polymère trop courtes qui ne vont pas précipiter et donc ne pas former de particules.
La taille des particules, pour l'application visée, est de préférence comprise entre 0,5 et 2pm. De manière avantageuse, le choix de la taille est obtenu en faisant varier le pourcentage de co-amorceur par rapport au pourcentage de macro-amorceur à taux de monomère fixe. En pratique, en augmentant le taux de co-amorceur par rapport au taux de macro-amorceur, on augmente la taille des particules et inversement. Le tableau ci-dessous rassemble les concentrations molaires respectivement en macroamorceur et co-amorceur exprimées en molli, ainsi que la taille des particules obtenues pour chacune de ces concentrations. Macro-amorceur (molli) Co-amorceur (molli) Taille particule (nm) 3,45.10-e 0 75 3,45.10-e 1,31.10-6 120 3,45.10-5 4,46.10-6 970 3,45.10-5 6,24.10-6 2100 Le procédé d'encapsulation de pigments qui vient d'être décrit permet de simplifier grandement la synthèse des encres électrophorétiques puisque toutes les étapes du procédé ont lieu dans le même milieu organique apolaire. La synthèse de l'encre est donc beaucoup plus rapide à mettre en oeuvre et ne nécessite aucune étape délicate risquant notamment une agrégation des particules.
La synthèse de l'encre consiste à encapsuler séparément chaque pigment d'une couleur dans une coque polymère chargeable respectivement positivement et négativement puis à mélanger les deux types de particules dans le même milieu apolaire que celui qui a servi à leur synthèse. Les particules sont donc déjà stables dans le milieu dispersant de l'encre, utilisable pour les dispositifs d'affichage. Il n'y a donc aucune étape supplémentaire à réaliser pour rendre ces particules stables dans le milieu dispersant de l'encre.
Claims (12)
- REVENDICATIONS1. Procédé d'encapsulation d'au moins un pigment inorganique par polymérisation par dispersion en milieu organique, caractérisé en ce qu'il consiste à: - disperser ledit pigment inorganique dans ledit milieu organique, - synthétiser au moins un latex de polymère stable dans ledit milieu organique, ledit latex précipitant autour dudit pigment inorganique pour former une coque protectrice et obtenir ainsi une particule, ladite synthèse du latex étant réalisée par polymérisation, dans ledit milieu organique, d'un monomère fonctionnel chargeable électrostatiquement, à partir d'une utilisation d'un macro-amorceur, apte à stabiliser ladite particule obtenue.
- 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la synthèse du latex est réalisée par polymérisation, dans ledit milieu organique, d'un monomère fonctionnel chargeable électrostatiquement, à partir d'une utilisation combinée d'un macro- amorceur, apte à stabiliser ladite particule obtenue, et d'un co-amorceur.
- 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la synthèse du latex est réalisée par polymérisation, dans ledit milieu organique, d'un monomère fonctionnel chargeable électrostatiquement, à partir d'un macroamorceur.
- 4. Procédé d'encapsulation selon la revendication 2, caractérisé en ce que le macro-amorceur est un copolymère synthétisé à partir d'un monomère de type acrylate et dudit co-amorceur.
- 5. Procédé selon l'une des revendications 2 ou 4, caractérisé en ce que le ratio molaire de macroamorceur / co-amorceur est compris entre 0,5 et 40, et de 25 préférence compris entre 2,5 et 30.
- 6. Procédé d'encapsulation selon l'une des revendications 2, 4 ou 5, caractérisé en ce que l'utilisation combinée du macro-amorceur et du co-amorceur permet de synthétiser des particules de tailles comprises entre 50nm et 50pm, et de préférence comprise entre 0,5 et 2pm. 30
- 7. Procédé d'encapsulation selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le pigment encapsulé dans ladite coque protectrice forme uneparticule et en ce que le monomère fonctionnel chargeable électrostatiquement est choisi parmi : - la 4-vinylpyridine ou le diméthylaminométhacrylate-co-styrène pour pouvoir charger ladite particule positivement et d'autre part, - un acide acrylique ou méthacrylique ou ses dérivés copolymérisés ou non avec un autre monomère neutre choisi parmi le styrène ou le méthacrylate de méthyle, pour pouvoir charger ladite particule négativement.
- 8. Procédé d'encapsulation selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le milieu organique est apolaire et choisi parmi l'un des solvants suivants : le toluène ou un alcane.
- 9. Procédé d'encapsulation selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que préalablement à sa dispersion, ledit pigment inorganique est soumis à un traitement de surface, de manière à accroitre son hydrophobicité, puis il 15 est dispersé dans le milieu organique au moyen d'ultrasons.
- 10. Procédé d'encapsulation selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que préalablement à sa dispersion, ledit pigment inorganique est mélangé à un agent tensioactif, de manière à modifier sa tension superficielle, puis il est dispersé dans le milieu organique au moyen d'ultrasons. 20
- 11. Utilisation du procédé d'encapsulation selon l'une des revendications précédentes pour fabriquer une encre électrophorétique comprenant des particules chargées positivement et renfermant un premier pigment et des particules chargées négativement renfermant un deuxième pigment, lesdites particules chargées positivement et négativement étant synthétisées séparément dans un milieu 25 organique apolaire puis mélangées, ledit milieu organique apolaire constituant le milieu dispersant de ladite encre électrophorétique.
- 12. Encre électrophorétique comprenant deux types de particules, un premier type étant chargé positivement et renfermant un premier pigment, un deuxième type étant chargé négativement et renfermant un deuxième pigment, ladite encre 30 électrophorétique étant caractérisée en ce qu'elle comprend un milieu dispersant identique ou compatible avec le milieu organique apolaire dans lequel chaque type de particules est synthétisé conformément au procédé d'encapsulation selon l'une des revendications 1 à 9.
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