Colours of filled polymers for a lighting environment : Application to the research by design of a color-changing material
Couleurs de polymères chargés pour un environnement lumineux : Application à la recherche par le design de matériau à changement chromatique
Résumé
The colour of filled polymers, used in flooring applications for a given lighting environment, can be dealt either with a perceptual approach or with an optical and spectral method. This thesis experimentally investigates the second option. The characterizations of calendered composite films lead to a better understanding about how the types of polymers and pigments, their volumetric concentration, and surface embossing, influence the visual aspect. On the one hand, no formulation made from PVC can be matched in colour with a new one made from PE, owing to a strong relationship between luminance and chrominance. In addition to the internal losses within fillers, the refractive index mismatch between matrix and fillers do account for chromatic variations amongst the materials. On the other hand, embossing materials with controlled surface roughness, which is measured by a confocal scanning system and AFM, proves that the luminance L*, measured by gonio-spectro-colorimetry, depends on all the roughness scales. Modelling the reflected L* based on geometric laws quantifies the variations in L* depending on the topography and the scan direction of the material. The influence of lighting on colour has been studied with a halogen and a LED light sources. The colorimetry of PVC colored materials reveals the need for a spectral approach in order to determine the origin of metamerism and to enhance its effects, by combining perceptual and quantitative methods within CIE-L*a*b* space. Matching the emission spectra of the illuminants, the reflectance spectra of the materials and those of the observer sensitivity, is the main result leading to the design of a new color-changing material. The color change has been characterized and qualitatively approved in a human-scaled box, where light reflection and scattering occurs from the walls. New flooring typologies have eventually stemmed from the research by design, putting forward a material that can tune its pattern with the lighting atmosphere. Making prototypes does not necessary lead to innovation. However, new ways, new thoughts about flooring in inner spaces may be brought forth by the strong visual change that has been obtained.
La compréhension de la couleur de polymères chargés, utilisés en revêtement de sol pour un environnement lumineux, peut être abordée soit par une approche perceptive, soit par une approche optique et spectrale de la couleur. Sur la base d'un travail principalement expérimental, les travaux de thèse explorent cette seconde voie. A partir de films composites calandrés, nous avons d'abord montré comment les types de polymères et de pigments, leur concentration, et la mise en forme de la surface, influencent l'aspect. D'une part, une formulation PVC existante ne peut être contretypée par une nouvelle matrice PE, en raison d'un fort couplage entre luminance et chrominance. Ce sont les écarts d'indices de réfraction aux interfaces entre particules et matrice, couplés aux pertes intrinsèques des pigments, qui interviennent au premier ordre pour expliquer la couleur. D'autre part, trois types de rugosité contrôlée induits par grainage ont permis de montrer que toutes les échelles, caractérisées par rugosimétrie confocale et AFM, influencent la luminance L* des matériaux, mesurée par gonio-spectro-colorimétrie. Le modèle géométrique proposé a permis de quantifier les variations de L* en fonction de la topographie des matériaux et de leur orientation. Le rôle de l'éclairage sur la couleur a été étudié avec une source halogène et une LED. L'analyse de matériaux PVC colorés a montré que l'approche spectrale permet de déterminer l'origine du métamérisme et de rechercher ses effets maximaux, par l'association de méthodes perceptive et quantitative dans l'espace CIE-L*a*b*. Le couplage des spectres d'émission des illuminants, de réflectance des matériaux, et de réponse de l'observateur est le principal résultat utilisé pour la conception d'un matériau à changement chromatique. Ces changements sont caractérisés et validés dans un espace réel, où intervient la réflexion-diffusion liée à l'environnement. La recherche par le design a finalement permis de faire émerger de nouvelles typologies de sol, à partir d'un revêtement d'aspect changeant en fonction de l'ambiance lumineuse. Si l'innovation s'accomplit au-delà de la seule réalisation des prototypes, ceux-ci révèlent néanmoins des variations d'aspects marquées pouvant induire de nouveaux usages du sol dans l'habitat.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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