Formulation d'encres conductrices à base de nanotubes de carbone pour le développement d'électrodes transparentes

Cette thèse rapporte l étude des propriétés de films transparents conducteurs obtenus à partir de dispersions de nanotubes de carbone. La formulation des dispersions représente une étape clé dans le but d obtenir des films homogènes avec de bonnes propriétés électro-optiques. Plus particulièrement, la création d interactions attractives en solution entre les nanotubes de carbone permet d une part de modifier le comportement rhéologique des dispersions et d améliorer leur dépôt en couche mince par enduction. D autre part, les travaux présentent une étude concernant l influence des interactions sur la structuration du réseau de nanotube de carbone qui constitue les films. Ces changements de structuration sont notamment mis en parallèle avec les propriétés électriques des films selon leur épaisseur. L utilisation de polymères semi-conducteurs a aussi fait l objet de travaux expérimentaux pour améliorer la formation et les propriétés des films transparents conducteurs.This thesis reports the study of the properties of transparent conductive films obtained from carbon nanotube dispersions. The dispersion formulation is a key step in order to obtain uniform films with good opto-electrical properties. In particular, the formation of attractive interactions between dissolved carbon nanotubes allows the modification of the rheological behavior of the dispersions and the improvement of their deposition in thin layer by coating. Also, the influence of the interactions on the carbon nanotube network morphology is presented. The structural changes of the networks are then related to both electrical properties and thickness of the films. Finally, the use of semiconducting polymers was analyzed in order to improve the fabrication and the properties of transparent conductive films.BORDEAUX1-Bib.electronique (335229901) / SudocSudocFranceF

Correlation of properties with preferred orientation in coagulated and stretch-aligned single-wall carbon nanotubes

We report structure-property correlations in single wall carbon nanotube (SWNT) fibers, among electrical, thermal and chemical parameters with respect to stretch-induced preferential SWNT alignment along the fiber axis. Purified HiPco tubes are dispersed with the aid of an anionic surfactant and coagulated in the co-flowing stream of an adsorbing polymer. The fibers are then dried, rewetted under tensile load and redried to improve the alignment. Complete removal of the polymer was assured by annealing in hydrogen at 1000oC. The degree of alignment was determined by x-ray scattering from individual fibers using a 2-dimensional detector. The half width at half maximum (HWHM) describing the axially symmetric distribution of SWNT axes decreases linearly from 27.5o in the initial extruded fiber to 14.5o after stretching by 80%. The electrical resistivity ρ at 300 K decreases overall by a factor ~4 with stretching, for both as-spun composite and polymer-free annealed fibers. However, the temperature dependence ρ(T) is markedly different for the two, implying different electron transport mechanisms with and without the polymer. Thermal conductivity also improves with increasing alignment, while the absolute values are limited by the disordered network of finite length tubes and bundles. Comparisons are made with results from similar fibers spun from oleum, and with magnetically aligned buckypapers

Exemple de structuration de matériaux par des fluides complexes : dispersions et fibres de nanotubes de carbone

This manuscript describes examples of material nanostructuration using complex fluids. The first part is a study of carbon nanotube dispersions; different dispersants and dispersing conditions have been tested, using light scattering. This technique allows statistical measurements of the nanotube dimensions in solution and can constitute an efficient characterisation in an industrial standardisation procedure. The second part presents structural, mechanical and thermomechanical characterisations of carbon nanotube fibers made by a simple coagulation process (wet-spinning).Ce manuscrit présente un travail sur la nanostructuration de matériaux à l'aide de fluides complexes. La première partie est tournée vers l'étude de dispersions de nanotubes ; différents choix de dispersants et de conditions de dispersion ont été explorés, notamment à l'aide de la diffusion de la lumière. Cette technique permet une mesure statistique et simple de la dimension des nanotubes en solution et peut constituer une caractérisation efficace dans une procédure de standardisation industrielle des nanotubes. La deuxième partie du manuscrit présente la caractérisation structurale, mécanique et thermomécanique de fibres de nanotubes de carbone élaborées par un procédé simple de coagulation en voie solvant

Structuration of nanomaterials with complex fluids; carbon nanotube dispersions and fiber

Ce manuscrit présente un travail sur la nanostructuration de matériaux à l'aide de fluides complexes. La première partie est tournée vers l'étude de dispersions de nanotubes ; différents choix de dispersants et de conditions de dispersion ont été explorés, notamment à l'aide de la diffusion de la lumière. Cette technique permet une mesure statistique et simple de la dimension des nanotubes en solution et peut constituer une caractérisation efficace dans une procédure de standardisation industrielle des nanotubes. La deuxième partie du manuscrit présente la caractérisation structurale, mécanique et thermomécanique de fibres de nanotubes de carbone élaborées par un procédé simple de coagulation en voie solvant.This manuscript describes examples of material nanostructuration using complex fluids. The first part is a study of carbon nanotube dispersions; different dispersants and dispersing conditions have been tested, using light scattering. This technique allows statistical measurements of the nanotube dimensions in solution and can constitute an efficient characterisation in an industrial standardisation procedure. The second part presents structural, mechanical and thermomechanical characterisations of carbon nanotube fibers made by a simple coagulation process (wet-spinning)

Carbon nanotubes and liquid crystalline phases

This paper presents a review of the literature that deals with carbon nanotubes (CNTs) and liquid crystals (LCs) focusing on two main aspects. First, we describe the liquid crystalline behaviour of carbon nanotubes in solution. Via functionalization or absorption of amphiphilic molecules, CNTs can form nematic phases in water for concentrations above a few percents. Second, we explore the work done on the insertion of CNTs into thermotropic or lyotropic LCs. It is shown that it is possible to disperse small quantities of CNTs in various LC matrices and that the CNTs are responding to the LC director field. In some cases the CNTs are also strongly modifying the LC properties. These promising results indicate that carbon nanotubes and liquid crystals will certainly play an important role in the development of future applications and functional materials

Structure et propriétés de fibres de nanotubes de carbone à haute énergie de rupture

Cette thèse rapporte l étude de fibres composites nanotubes de carbone/polymère qui présentent des propriétés originales, dont notamment une très forte énergie de rupture potentiellement utile pour de futures applications balistiques. En effet, leur capacité d absorption d énergie est la plus importante jamais observée pour un matériau. Cette propriété est liée à la structure composite des fibres, qui est plus proche de celle des fibres naturelles comme la soie d araignée, que de celle des fibres synthétiques hautes performances usuelles. La thèse présente des études de l influence de modifications structurales sur les propriétés mécaniques, électriques et thermomécaniques des fibres, qui ont mis en évidence de nouvelles propriétés, comme des effets mémoire de forme et de température. Nous espérons que les résultats fondamentaux obtenus dans ce travail aideront au développement de diverses applications, notamment dans le domaine des textiles et matériaux de protection balistique.This thesis deals with the study of polymer/carbon nanotube composite fibers with original properties. They particularly exhibit a very high toughness, potentially useful for future ballistic applications. Indeed, their ability to absorb energy is the most important ever observed for a material. This property is linked with composite structure of the fibers, which is closer from the natural fibers one like spider silk, than from usual high performance synthetic fibers one. This manuscript presents studies about the influence of structural modifications on mechanical, electrical and thermo mechanical properties of the fibers, which highlighted new properties, such as shape and temperature memory effect. We hope that the fundamental results obtained in this work will help for the development of several and various applications, particularly in the field of textiles and protection materials.BORDEAUX1-BU Sciences-Talence (335222101) / SudocSudocFranceF

Structure et propriétés de fibres composites polymère-nanotubes de carbone obtenues par voie fondu

Cette thèse rapporte l étude des propriétés de fibres composites polymère/nanotubes de carbone obtenues par voie fondu. Contrairement aux fibres produites jusqu à présent par cette technologie, les fibres réalisées dans cette thèse sont conductrices. Les propriétés électriques sont étudiées en fonction de différents paramètres dont la température et les contraintes mécaniques. Par un modèle analytique, il est montré que l étirement induit par leprocédé entraine une translation relative des nanotubes et une perte de contacts électriques.Ces fibres possèdent aussi des propriétés thermomécaniques originales comme des effets à mémoire de forme et à mémoire de température. Cette dernière est reflétée par un pic de contrainte générée à la température de déformation du matériau. Ces effets ont pu être mis en évidence sur des déformations de type traction et torsion. Même si ces effets sont gouvernés par le polymère, l introduction des nanotubes apporte des améliorations des propriétés.This thesis reports the study of the properties and structure of carbon nanotube / polymercomposite fibers obtained by melt spinning. By contrast to most fibers produced by thistechnology, the fibers produced in this thesis are electrically conductive. The conductivityproperties are studied as a function of various parameters including temperature andmechanical stress. It is shown that fiber drawing induced by the process leads to a relativetranslation of the nanotubes relative to each other and to a loss of electrical contacts. Ananalytical model accounts for this phenomenon and reproduces the experimental results.Polymer-nanotube fibers exhibit also particularly original thermomechanical properties suchas shape memory effects that are controllable by the programming process. Surprisingly, thefibers have a temperature memory reflected by a peak of the generated stress at thetemperature at which the materials has been programmed. These effects have beendemonstrated for various types of deformations including elongation and torsion. Althoughthese effects are governed by the properties of the polymer, it is shown that the introductionof nanotubes provides significant improvements of the thermomechanical properties.BORDEAUX1-Bib.electronique (335229901) / SudocSudocFranceF

Etude de suspensions et de fibres de nanatubes de carbone

Ce travail de thèse concerne l'étude de dispersions et de fibres de nanotubes de carbone. Nous nous sommes intéressés à l'influence de la structure des nanotubes et de la nature des dispersants sur la topologie des diagrammes de phases des suspensions. Nous montrons par ailleurs que les dimensions des nanotubes peuvent être caractérisées en suspension par diffusion dynamique dépolarisée de la lumière. Le deuxième aspect de ce travail concerne l'étude et l'optimisation des propriétés mécaniques, électriques et électromécaniques de fibres de nanotubes de carbone formulées grâce aux acquis de la partie précédente. Nous montrons que les fibres de nanotubes sont des systèmes prometteurs pour la réalisation de matériaux haute ténacité, de capteurs ou encore d'actionneurs électromécaniques.BORDEAUX1-BU Sciences-Talence (335222101) / SudocSudocFranceF

Etude de dispersions de nanotubes de carbone par des polymères pour l'élaboration de composites conducteurs et structurés

Cette thèse rapporte l étude de dispersions de nanotubes de carbone par des polymères, la mise en forme de films composites et l étude de leurs propriétés mécaniques ou de conduction électrique. La première partie est centrée autour de l utilisation de l acide poly-acrylique (PAA), qui se révèle un excellent agent dispersant des nanotubes dans l eau. Une étude des interactions entre le polyélectrolyte et les nanotubes en fonction du pH est réalisée afin d identifier les conditions de dispersion optimales. La réalisation de composites pour de potentielles applications dans les encres et peintures conductrices révèle qu un contrôle suffisamment fin de l adsorption du PAA et de la stabilité de la dispersion permet l obtention de films à la fois homogènes et conducteurs électriques. La seconde partie de ce travail concerne l utilisation d un copolymère à blocs, le SBM, possédant des propriétés remarquables d auto-organisation pour la réalisation de composites par voie solvant à base de nanotubes. L originalité du système réside dans le fait que le SBM est à la fois agent dispersant des nanotubes mais également matrice structurante. Ce travail montre que la structure adoptée par le copolymère, qui dépend beaucoup du solvant employé, influence directement les propriétés mécaniques du matériau. De plus, l addition de nanotubes améliore sensiblement les performances du composite.This thesis deals with the study of carbon nanotube dispersions by polymers, the processing of composite films and the study of their mechanical and electrical properties. The first part of the work focuses on the use of poly(acrylic) acid (PAA), which proves to be an excellent dispersing agent in water. A study of the interactions between the PAA and the nanotubes is realised, tuned by the pH conditions. The fabrication of composite films, for future applications in the field of conductive inks and paints, shows that a fine control of the PAA adsorption and the dispersion stability allows the formation of homogeneous and conductive composites. In a second part, nanotube composites are elaborated from a block copolymer, the SBM, well-known for its remarkable self organization properties. Interestingly, the copolymer is at the same time the nanotube dispersing agent in the solvent and the structuring matrix of the final composite. This thesis shows that the copolymer structure, which strongly depends on the solvent used, influences the mechanical properties of composite films, and that the addition of nanotubes noticeably improves the performances.BORDEAUX1-Bib.electronique (335229901) / SudocSudocFranceF