La synthèse d’objets hybrides silice/latex constitue le coeur de ce travail de doctorat ; il s’agit de recouvrir partiellement des particules de polystyrène par de la silice nanométrique. Pour cela la polymérisation en émulsion de la phase organique in-situ en présence de nanoparticules de silice a été sélectionnée, en présence d’auxiliaires organiques pour rendre les surfaces amphiphiles. Les premières formulations mises en oeuvre avec des tensioactifs n’ont pas conduit à la décoration des latex parce que la présence de ces molécules aux interfaces favorise plutôt la dispersion des latex, empêchant l’adsorption de la silice. Par la suite, l’étude de deux systèmes composés respectivement d’une silice chargée négativement et du PEGMA, et d’une silice chargée positivement et du PSS, ont permis d’obtenir des latex « décorés » caractérisés par ATG et MET. Les mécanismes proposés s’appuient, selon les conditions, sur des mécanismes de nucléation homogène ou de nucléation en gouttelettes. Il apparait que la maîtrise des interactions pouvant être produites à la surface du latex est très importante pour permettre à la silice de se placer à sa surface. Ainsi, le choix de l’amorceur ou de l’auxiliaire organique est un paramètre clé pour obtenir des particules hybrides.Dans la dernière partie de cette étude, la silice a été introduite sous la forme d’objets hybrides silice/latex dans une suspension d’alumine pour procéder à l’hétérocoagulation des deux matériaux et à la granulation de l’alumine. La combinaison des propriétés des matériaux organique et inorganique constituant les particules hybrides a permis de conduire à l’amélioration de l’organisation microstructurale interne du granule lors de l’étape de séchage, en diminuant de manière significative les fissurations au sein des granules. / This work is centered on the silica/latex hybrid particles synthesis: the aim of the study is to partially cover the polystyrene beads with silica nanoparticles. For this purpose, in-situ emulsion polymerization of the organic phase with silica has been selected with organic auxiliaries to make the surfaces amphiphilic. The first compositions processed with surfactants did not lead to latex decoration because the presence of the molecules at the interface favors the dispersion of the latex impeding silica adsorption. Then, the study of two systems with, in one hand negatively charged silica and PEGMA, and in the other hand positively charged silica and PSS, allowed to get “decorated” latex characterized by TGA and TEM. The proposed mechanisms are based on the homogeneous nucleation or the droplet nucleation mechanisms depending on the conditions. It appears that the control of the interactions that could be produced at the surface of the latex is very important to allow the silica to go at the surface. Thus, the initiator or organic auxiliary choice is a key parameter to get hybrid particles.In the last part of this study, silica has been introduced via hybrid particles in an alumina suspension to proceed to heterocoagulation of both materials leading to alumina granulation. The combination of the properties of the organic and inorganic material that constitute the hybrid particles leads to the improvement of the microstructural organization inside the spheres during the drying step by reducing significantly the cracks in the spheres.

Ce manuscrit décrit l'utilisation de particules de silice colloïdale de taille et de fonctionnalité définies pour élaborer des matériaux aux propriétés spécifiques. Dans un premier temps, nous avons comparé différentes méthodes de synthèse de particules de silice à partir d'un précurseur moléculaire selon un procédé sol-gel. Celles-ci nous ont permis de fabriquer des objets sphériques de fonction de surface contrôlée et avec une taille moyenne régulière comprise entre 50 nm et 2 microns. Une fois ces particules synthétisées, nous avons étudié leur comportement à l'interface air-eau grâce à la technique de Langmuir puis fabriqué des cristaux colloïdaux d'épaisseur contrôlée par dépositions successives de monocouches de particules sur des substrats hydrophiles selon le principe de la technique de Langmuir-Blodgett. Ce contrôle nous a permis d'étudier l'influence de l'épaisseur des cristaux sur leurs propriétés spectroscopiques. Le second axe de notre recherche concernait l'élaboration de particules à morphologie originale et en particulier d'objets dissymétriques. L'utilisation de différentes techniques impliquant des phénomènes interfaciaux a d'abord été envisagée (interfaces planes puis courbes à l'échelle macroscopique). Nous avons également élaboré de particules organiques-inorganiques grâce à un procédé de polymérisation en émulsion de styrène en présence de particules de silice modifiées en surface. La maîtrise des différents paramètres expérimentaux nous a ainsi permis d'obtenir des objets hybrides aux morphologies originales mais prédictibles et variées, qu'elles soient dissymétriques (± haltère a, ± bonhomme de neige a, ± cœur-écorce décentré a) ou non (± marguerite a, ± multipode a ou ± framboise a). Ces nouveaux types de particules colloïdales pourraient présenter des propriétés innovantes dans de nombreux domaines tels que la catalyse, l'affichage électronique ou la stabilisation de milieux complexes

La synthèse et l’assemblage de particules colloïdales de morphologie et de fonctionnalité originale permet d’envisager la fabrication de matériaux aux propriétés électromagnétiques innovantes. Au cours de ce travail, nous nous sommes intéressés à la synthèse de colloïdes hybrides silice/polystyrène par un processus de polymérisation en émulsion du styrène ensemencé par des germes de silice préalablement fonctionnalisés en surface par des groupements méthacrylate. Ces particules hybrides, composées d’une particule centrale de silice entourée d’un nombre contrôlé de nodules de polystyrène, ont été utilisées comme moules afin de synthétiser des nanocages d’or de morphologie contrôlée. Ces nanocages d’or ont été caractérisées structuralement et optiquement. Nous nous sommes également intéressés à l’assemblage des particules hybrides silice/polystyrène via la génération d’interactions entre les nodules de polystyrène grâce au contrôle de qualité du solvant pour le polystyrène. Les particules présentant un nodule de polystyrène s’assemblent en petits clusters alors que celles présentant deux nodules de polystyrène forment des chaînes. / The synthesis and the assembly of colloidal particles with original morphology and functionality should allow the fabrication of next-generation materials. This study deals with the synthesis of hybrid silica/polystyrene particles by an emulsion polymerization of styrenes eeded by surface functionalized silica particles. These particles, made by a silica coredecorated by a controlled number of polystyrene nodules, has been used as templates for thesynthesis of goldnanocages morphologically controlled. Theses gold nanocages has been characterized structurally and optically. We have also investigated the self-assembly of hybrid silica/polystyrene particles by generating interaction between polystyrene nodules due to the control of the solvent quality for polystyrene. Particles with one polystyrene nodule self assemble in little clusters and particle with two nodules in chains.

Ces travaux de thèse portent sur la synthèse de particules hybrides à partir de pigments inorganiques pour la formulation d’encres électrophorétiques colorées. Les pigments doivent répondre à un cahier des charges spécifique à ce type d’application. Ils doivent avoir une taille sub-micronique, une faible densité et un haut indice de réfraction afin d’exalter les phénomènes de diffusion. Les pigments bleus et cyan de structure spinelle CoAl2O4 et NiAl2O4 ont été synthétisés par voie Pechini. Dans les deux cas, des phénomènes de démixtion influençant la couleur ont été observés. Cependant, de par la différence de rayon ionique entre le Co2+ et le Ni2+ (rCo2+ < rNi2+), les origines en sont différentes. Dans le premier cas il a fallu éliminer les ions Co3+ stabilisés en site [6] pour obtenir une phase pure où la majorité des ions cobalt occupent les sites [4]. Dans le second cas l’ajout d’ions Al3+ a été nécessaire pour stabiliser une phase spinelle pure en présence de lacunes cationiques et d’ions Ni2+ occupant partiellement les sites [4] et [6]. Ensuite, nous avons développé des pigments magenta et jaunes de structure olivine explorant la solution solide LiCoxNi1-xPO4. Dans ces composés, l’étude des transitions électroniques corrélées à la structure et à l’environnement des ions chromophores Ni2+ et Co2+ en site [6] a permis de montrer des champs cristallins proches et un effet néphélauxétique presque identique. Finalement l’analyse de l’état de valence du chrome dans les structures de type rutile SnxCr1-xO2 a permis de synthétiser des pigments violets. Dans un second temps, la surface des pigments a été modifiée avec des chaines silanes de type n-trimethoxysilane afin de favoriser la dispersion des pigments dans un milieu apolaire. Puis les pigments modifiés ont été polymérisés dans l’Isopar G par polymérisation radicalaire contrôlée par les nitroxydes avec du méthacrylate de méthyle afin de diminuer la densité globale des particules hybrides et ainsi obtenir des encres stables. L’étude de l’influence des conditions expérimentales a été effectuée sur chaque pigment afin de formuler des encres colorées et chargées sans ajout de contrôleur de charge. La réalisation d’un dispositif électrophorétique à deux couleurs bleu et blanc a finalement pu être développé. / This work deals with the hybrid particles synthesis, using inorganic pigment for the coloured electrophoretic inks formulation. To comply with this type of application, pigments must have a sub-micrometer size, a low density and a high refractive index in order to exalt the diffusion phenomena. Blue and cyan spinel structure pigments CoAl2O4 and NiAl2O4 have been synthesized by Pechini process. In both these oxides, steric and electronic effects allowed stabilizing pure phases with enhanced colouring effects. In the case of CoAl2O4, we have to avoid the occurrence of Co3+ (LS) whereas for NiAl2O4, excess of Al3+ is necessary to get pure phases with nanosized crystallites. Then, magenta and yellow olivine structure pigments have been developed with the exploration of the solid solution LiCoxNi1-xPO4. In these compounds, the study of the electronic transitions combined with Ni2+ and Co2+ chromophores ions structure and environment in [6] site leads to comparable crystal field and so an almost similar nephelauxetic effect for both ions. Finally, the investigation of the valence state and the environment of chromium in rutile type structure Sn1-xCrxO2 allowed the synthesis of purple pigments. In a second part, the pigment surface has been modified with n-trimethoxysilane chains to improve the pigment dispersion in apolar media. Then, modified pigments have been polymerised in Isopar-G by nitroxyde mediated radical polymerisation with methyl methacrylate to decrease the hybrids density and to obtain stable inks. The impact of the experimental conditions has been studied on each pigments in order to formulate coloured and charged inks without any charge control agent. A two-colour electrophoretic device (blue/white) has been finally tested.