Conception de revêtements MEtallique conducteur et réfléchissant sur TEXtiles – MeTex

Le développement de matériaux multifonctionnels via des procédés simples, éco-efficients et viables industriellement représente un enjeu majeur.
Le projet MeTex a eu pour objectif la fonctionnalisation textile avec un nouveau matériau composite et nanostructuré métal/polymères multifonctionnel. Le caractère innovant du projet repose sur l’originalité du procédé d’élaboration et de l’assemblage des nanoparticules dans la matrice polymère, à savoir une synthèse «in situ et one pot » par voie totalement photochimique (photo-polymérisation, photo-réduction de l’argent, photo-structuration de nanoparticules).
Il s’agissait aussi de jeter les bases pour un programme de transfert de technologie du procédé photo-induit de synthèse et fonctionnalisation sur textile souple, optimisé et adapté à une production industrielle.
L’approche photo-induite pourrait se substituer aux procédés d’encrage traditionnels dans le futur. Cette méthode originale de génération photo-induite de nano et/ou micro-couches sur surfaces est susceptible aujourd’hui d’avoir des applications dans de nombreux domaines tels que la micro ou la nanoélectronique, les emballages intelligents, la fabrication d’appareils ménagers, les textiles avancés, ou l’instrumentation médicale.

1. L’écoconception, le caractère « safe by design » et la mise en œuvre de procédés facilement transposables à l’échelle industrielle pour générer des surfaces flexibles et multipropriétés constituent des innovations majeures de ce projet (2 publications parues).
2. L’utilisation de l’activation photonique pour la synthèse et l’assemblage nanoparticules@polymère avec architectures contrôlées (2 brevets déposés).
3. Le développement d’un matériau multifonctionnel argent/polymère par voie photochimique sur différents supports rigides ou flexibles (verre, papier, métal, textile,…). Les multifonctions obtenues : métallisation de surface, réflectance très élevée, aspect optique miroir argenté, bonne conductivité électrique, bioactivité (antibactériens et antifongiques), propriétés mécaniques,… (3 publications parues et 3 soumises ou en préparation).

Les perspectives de ce projet sont nombreuses et leur champ d’application varié. Le revêtement développé sur surfaces flexibles ouvre la voie à des capteurs de différentes natures, particulièrement recherchés dans les domaines de la micro et nano-électronique ou du biomédical. A titre d'illustration, la faisabilité d’un capteur capacitif de pression a été démontrée. Ce système peut donc être amélioré afin de s'intégrer dans des dispositifs médicaux, par exemple.

Brevets
1. L. Balan EP 3073321 A1 “Metal-polymer composite material” by photochemical approach (2016) PCT/EP2016/056726 et U.S. patent number 10,808,138 [Application Number 15/561,669]
2. (2017) L. Balan et M. Zaier EP 17305109.5 « Material having a metal layer and a process for preparing this material» (2018) PCT dépôt le 31 Janvier 2018
Publications
1. Tuning the morphology of silver nanostructures photochemically coated on glass substrates: an effective approach to large-scale functional surfaces (M. Zaier, L. Vidal, S. Hajjar-Garreau, JL. Bubendorff, L. Balan* Nanotechnology, 28, 2017, 105603)
2. Generating highly reflective and conductive metal layers through a light-assisted synthesis and assembling of silver nanoparticles in a polymer matrix (M. Zaier, L. Vidal, S. Hajjar-Garreau, L. Balan* Scientific Report, 7, 2017, 12410)
3. Photo-induced design of reflective metallized gold@polymer coatings with tuned architecture (A. Schejn, M. Ott, M. Dabert, L. Vidal, L. Balan* Materials & Design, 160, 2018 74-83).
4. Photo-Induced Self-Assembly of Silver Nanoparticles for Rapid Generation of First and Second Surface Mirrors (E Caillosse, M Zaier, M Mezghani, S Hajjar-Garreau, L Vidal, D Lougnot, L. Balan* ACS Applied Nano Materials, 3 (7), 2020, 6531-6540)
5. Influence of in situ photo-induced silver nanoparticles on the ageing of acrylate materials (H. Beya Zouari, M. Dabert, L. Asia, P. Wong-Wah-Chung, M. Baba, L. Balan*, Y. Israëli* Journal of Photochemistry & Photobiology, A: Chemistry, 408, 2020, 113112)

Le développement de matériaux multifonctionnels via des procédés simples, éco-efficients et viables industriellement représente un enjeu majeur, en particulier dans le domaine des textiles souples. L'objectif principal du projet MeTex est de développer de nouvelles voies de synthèse pour la métallisation des surfaces textiles via un procédé in situ, en une seule étape, et totalement photo-induit afin de préparer de nouveaux revêtements multifonctionnels métalliques bicouches métal/métal-polymère. La couche supérieure sera un film continu de métal (principalement Ag ou Cu et éventuellement Au) et la couche inférieure un mélange de polymères biocompatibles avec un gradient en profondeur de nanoparticules métalliques (NPMs). Le contrôle spatial de l'organisation des NPMs permettra d'obtenir le revêtement multifonctionnel: optique (miroir, haute réflectivité et luminosité) et conducteur (électrique et thermique). L'approche photochimique combinant photo-greffage, photo-polymérisation, synthèse photo-induite et assemblage de NPMs permettra l’élaboration de revêtements fonctionnels (métallisation) des textiles d’usage courant ou professionnels.

Les principaux atouts du procédé en cours de développement sont :
- l’éco-conception : procédé sans solvant, rapide, peu énergivore, n’utilisant pas de matières premières à haute valeur ajoutée et facilement transposable dans l’industrie,
- le « safe by design » : nanoparticules synthétisées in situ par voie photochimique dans la matrice polymère. Le procédé permettra d’éviter la manipulation de poudres de nanoparticules d’argent, et les risques associés en termes de santé et d’environnement. De plus, il évitera l’agrégation communément observée lors de la dispersion de ces poudres dans les formulations liquides. La surface du revêtement sera une fine couche de métal massif,
- le contrôle photochimique de l’organisation tridimensionnelle des NPs dans la matrice polymère pour le développement de matériaux actifs optiquement, électriquement et/ou biologiquement.
Le procédé repose sur la simultanéité de la photo-polymérisation et de la photo-réduction. Il permet un contrôle à la fois de la synthèse et de l’organisation multidimensionnelle (nano, micro et macro) des films hybrides réticulés.
Ces atouts ouvrent des perspectives prometteuses pour le développement de revêtements textiles intelligents. Ces derniers permettront, en particulier, de répondre au challenge de l’assemblage 3D des NPMs dans une matrice polymère pour la préparation de matériaux multifonctionnels possédant des propriétés optiques (couleurs variées, effet miroir et haute réflectivité), ou thermo/électrique (conductivité). La présence de NPMs (Ag, Cu) devrait conférer à ces revêtements des propriétés antibactériennes. Il convient également de mentionner que l’utilisation d’un faisceau actinique associé à un dispositif approprié de mise en forme permettra facilement d’imprimer des images ou d’écrire des messages sur le textile.
De plus, l'utilisation de matériaux métal/métal-polymères comme substituts pour les processus d'encrage classiques avec des concentrations en particules métalliques beaucoup plus faibles que celles utilisées aujourd’hui sera envisagée.
Avec les propriétés réfléchissantes et conductrices implantées sur le textile, le projet MeTex devrait aborder plusieurs marchés et domaines d'application (pigments métalliques, encres conductrices ou revêtements métalliques esthétiques).
Finalement, cette méthode originale de génération de nano et/ou micro-couches sur divers types de surfaces est susceptible de connaître d’intéressants développements dans de nombreux domaines tels que la micro ou la nanoélectronique, les emballages intelligents, la fabrication d’appareils ménagers, les textiles avancés, ou l’instrumentation médicale.