Revêtements thermoactifs pour la réduction de la consommation énergétique des villes – THERMOCOAT

Les revêtements développés dans ce projet vont agir sur la partie proche infrarouge du spectre solaire ([0.8 µm - 3 µm]), qui correspond à environ 50% de l’énergie totale apportée par le soleil. Les applications principales seront les toits et les murs, mais pourront être aussi étendues aux chaussées. Notre but est d’ajouter du dioxide de vanadium (VO2) à un revêtement polymère pour moduler sa réflectance dans le proche infrarouge en fonction de sa température. Le VO2 est un composé thermochome et est bien connu pour avoir une transition isolant métal conduisant à un fort changement de sa constante diélectrique, en particulier dans le proche infrarouge. Au-dessus la température de transition le VO2 se comporte comme un métal et réfléchit la lumière. En-dessous de cette température, les longueurs d’onde proche infrarouge sont transmise par le matériau. Le changement de constante diélectrique est faible (en particulier pour sa partie imaginaire) dans la partie visible du spectre, ainsi la couleur du revêtement sera peu affectée. Pour augmenter les variations de réflectance du revêtement, un effet photonique sera ajouté grâce à un arrangement structurel les particules de VO2 dans la matrice polymère. Un modèle numérique sera développé pour calculer la réflectance du matériau. Ce modèle sera utilisé pour optimiser l’arrangement des particules de VO2 pour maximiser les changements de réflectance du matériau.
Comme démonstrateur physique, des revêtements nanostructurés seront fabriqués par auto-arrangement en utilisant une suspension polymère. Cette méthode de synthèse est connue pour produire une structure opale ordonnée. Cette approche met à profit la thermoactivité du VO2, la capacité de filmification du latex, la déformabilité du polymère après séchage et les propriétés photoniques de la structure opale. Cette structure peut ne pas être la plus optimale, cependant elle servira de démonstrateur physique du concept et de matériau modèle pour valider l’étude numérique.

Une interface logicielle permettant de simuler les propriétés optiques (réflectance/transmittance) de structures ordonnées tridimensionnelles comme des opales a été réalisée. Les résultats obtenus dans le cas d’une opale parfaitement ordonnée sont en très bon accord avec la loi de Bragg permettant de prédire la position de la bande interdite photonique partielle (correspondant à une forte augmentation de la réflectance sur une gamme étroite de longueurs d’onde) d’une telle structure. Les résultats obtenus sont également en très bon accord avec ce qui a été précédemment publié dans la littérature. Cette interface permet également de prendre en compte des défauts d’ordonnancement dans la structure (variations aléatoires de rayons des sphères et/ou de distance entre sphères).
Des avancées significatives ont également été obtenues en terme de fabrication du matériau. De nombreuses méthodes de synthèse de nanoparticules de VO2 ont été explorées et il a été possible de synthétiser des particules thermochromes de taille micrométrique, cependant la difficulté réside ici dans l’obtention de nanoparticules de taille de l’ordre de 100 nm. Différentes techniques sont à l’étude pour essayer de réduire la taille des particules, comme soumettre les particules en solution à des ultrasons ou bien essayer de broyer mécaniquement les particules par un procédé de type Ultra Turrax.
Des expériences ont été menées également sur la synthèse de latex (suspensions colloïdales de particules de polymères). L’objectif est ici d’obtenir un latex avec une faible dispersion en taille des particules, afin de pouvoir par la suite générer une opale polymère suffisamment ordonnée pour présenter une bande interdite photonique. Il a été montré dans la littérature que les effets photoniques disparaissent lorsque l’indice de polydispersité (PDI) est supérieur à 20%. Différents latex ont été générés, avec des tailles moyennes de particules allant de 85 nm à 950 nm, et des PDI de 0.3% à 25%.

La suite des travaux consistera d’une part à confronter les spectres de réflectance/transmittance optique obtenus par simulation sur des structures présentant des défauts d’ordonnancement à des mesures expérimentales. Les échantillons nanocomposites polymères contenant des nanoparticules de VO2 n’étant pas encore disponibles, nous envisageons d’effectuer ces comparaisons sur des matériaux plus simples à réaliser, comme par exemple des cristaux colloïdaux binaires formés d’un polymère ordonné et de nanoparticules. Deux types de nanoparticules sont envisagées : des nanoparticules diélectriques (par exemple de SiO2) et métalliques (d’or ou d’argent).
Une fois les résultats des simulations optiques confirmés par confrontation avec des données expérimentales, les valeurs de réflectance/transmittance optiques obtenues pour différentes structures de matériaux seront intégrées dans un modèle thermique simple et/ou dans un logiciel de simulation de consommation énergétique de bâtiments afin de pouvoir optimiser la structure du matériau directement en fonction de la consommation énergétique associée.
Le travail expérimental se poursuivra sur la synthèse d’une opale à partir des latex obtenus et par la suite l’insertion de nanoparticules de VO2 dans cette opale. On constate qu’en septembre 2018 quelques fabricants américains spécialisés dans les nanoparticules commencent à proposer des nanoparticules de VO2 thermochrome. Ainsi, il a été décidé que des derniers essais de synthèse de nanoparticules de VO2 seront effectués courant septembre 2018 afin de finaliser nos connaissances propres sur les pistes d’élaborations de nanoparticules que nous avions sélectionnées. En parallèle, un achat de nanoparticules commerciales est en cours afin de ne pas retarder/bloquer l’avancement du projet. Il s’agira ensuite de compatibiliser les nanoparticules de VO2 avec le latex, afin de pouvoir réaliser un matériau nanocomposite ordonné.

Un article de review est en cours d’évaluation par le journal Advanced Engineering Materials : A review of Vanadium Dioxide as an actor of nanothermochromism: challenges and perspectives for polymer nanocomposites
Jenny Faucheu1, Elodie Bourgeat-Lami2, Vanessa Prévot3
Deux communications orales ont été acceptées à la conférence nationale Matériaux 2018 (19-23 novembre, Strasbourg)
Simulations numériques du comportement optique de cristaux photoniques imparfaits obtenus par sédimentation colloïdale
Cindy Péralle*1, Jenny Faucheu1, Renée Charrière1, Jean-Marc Chenal4
Nanocomposites à base latex et contenant des nanoparticules de dioxyde de vanadium pour revêtements intelligents thermochromes
Xavier Ingouf* 1, Jenny Faucheu1, Elodie Bourgeat-Lami2, Vanessa Prévot3
1Mines Saint-Etienne, Univ Lyon, CNRS, UMR 5307 LGF, Centre SMS, Saint-Etienne, France
2Université Claude Bernard Lyon 1, CPE Lyon, CNRS, UMR 5265, Villeurbanne, France
3Univ. Clermont Ferrand, CNRS, SIGMA-Clermont, UMR 6296, ICCF, Aubière, France
4Université de Lyon, INSA Lyon, Villeurbanne, France

Les toits et chaussées comptent pour environ 60% de la surface urbaine dans la plupart des grandes villes. Par un après-midi d’été ensoleillé ces surfaces, généralement sombres, deviennent chaudes et donc chauffent l’air. L’air dans les zones rurales est plus froid car la surface de ces zones est plus réfléchissante (elle absorbe moins la lumière du soleil) et plus humide. L’augmentation de la température dans les zones urbaines est appelé l’effet d’îlot thermique urbain.
Le projet THERMOCOAT cherche à réduire la température des villes en été. Le moyen le plus simple pour réduire l’absorption solaire est de remplacer les surfaces sombres, comme les toits noirs ou gris, par des surfaces claires fortement réfléchissantes, comme des toits blancs. Les surfaces claires restent plus froides car elles réfléchissent fortement les parties visible et proche infrarouge du spectre du soleil. Les toits blancs sont très performants pour économiser l’énergie dans les zones chaudes et sèches et deviennent populaires pour les grands bâtiments commerciaux ayant des toits de grande surface. Cependant, dans les régions froides, particulièrement en hiver, les toits blancs ne sont pas recommandés car ils réfléchissent la chaleur qui pourrait être utilisée pour chauffer le bâtiment. De plus, dans les quartiers historiques, ou pour des raisons esthétiques, d’autres couleurs pourraient être mieux adaptées. Les revêtements thermochromes peuvent à la fois chauffer et refroidir en changeant leurs propriétés optiques (en particulier dans le visible et/ou le proche infrarouge) en fonction de leur température. En agissant uniquement sur les longueurs d’onde infrarouges, la couleur du revêtement ne sera pas affectée.
Les retombées du projet THERMOCOAT sont doubles. Premièrement, le projet a pour objectif d’optimiser l’effet photonique des revêtements thermoactifs pour mieux contrôler l’effet d’îlot thermique par le développement d’un matériau spécifique. Pendant le projet, un modèle électromagnétique sera développé afin de prédire les propriétés optiques d’un revêtement polymère structuré chargé avec des nanoparticules thermochromes de dioxyde de vanadium (VO2). Ce modèle électromagnétique va prédire le comportement optique de nanocomposites thermochromes en fonction des paramètres structuraux du matériau et, en particulier, l’effet de diffusion résonnante de Bragg. Le but de ce modèle est à la fois de fournir une meilleure compréhension de cet effet ainsi que d’optimiser les paramètres de structure du matériau afin d’obtenir la meilleure performance énergétique. Les revêtements nanostructurés (structure opale) seront fabriqués par auto-arrangement en utilisant une suspension colloïdale polymère. Cette approche tire avantage de la thermoactivité du VO2, de la capacité du latex à filmifier, de la déformabilité du polymère après séchage et des propriétés photoniques de la structure ordonnée. Ce matériau nanocomposite aura des propriétés optiques très différentes entre sa phase à basse température et sa phase à haute température. Cette structure servira de démonstrateur et de validation expérimentale de l’étude numérique. Deuxièmement, en se basant sur les données scientifiques générées durant le projet, ce projet a pour but de sensibiliser un large public à l’effet d’îlot thermique en développant un « serious game » sur l’influence du choix des matériaux (type et couleur) des bâtiments sur l’effet d’îlot thermique et la consommation d’énergie.
Le projet THERMOCOAT tire parti des compétences complémentaires présentes à l’Ecole des Mines de Saint-Etienne : une expertise en simulations optiques et caractérisations combinées à une expertise en nanocomposites et élaboration de polymères. En plus de la dissémination au sein de la communauté scientifique, le projet vise une dissémination à la société en général afin de sensibiliser la population à l’effet d’îlot thermique urbain et son impact sur le réchauffement climatique et l’inconfort thermique dans les villes.