Procédés de fabrication des polymères

Figure n^o 1 —° Le procédé de moulage par soufflage

Les plastiques sont principalement composés de polymères, une famille de matériaux formés en général de longues chaînes. En raison de caractéristiques intéressantes, telles que la durabilité, la légèreté, le faible coût et la facilité de fabrication, les polymères sont de plus en plus utilisés dans plusieurs industries pour des applications diverses allant des petites composantes électroniques aux grosses pièces de l’industrie aéronautique. Plusieurs procédés de fabrication sont traditionnellement utilisés : l’extrusion (pour former des profilés), le moulage par injection (une technique polyvalente pour la fabrication de pièces), le moulage par soufflage (pour fabriquer des pièces creuses comme des bouteilles de plastique), etc. (voir les figures n^o 1 et 2). D’autres types de procédés et techniques de caractérisation ont commencé à être développés ou réutilisés depuis peu afin de produire et d’analyser des microstructures et des nanostructures composées de polymères. L’électrofilage est l’une de ces technologies prometteuses.

Figure n^o 2 — Objets de plastique fabriqués au moyen de procédés traditionnels

L’électrofilage : un procédé de fabrication de fibres de polymère

L’électrofilage est une technique qui utilise un champ électrique comme force motrice pour obtenir des fibres de polymère.

Le montage le plus commun (figure n^o 3) consiste à dissoudre un polymère dans un solvant et à placer la solution obtenue dans une seringue. Le débit est normalement maintenu au moyen d’une pompe à seringue. La solution est ensuite chargée électriquement en connectant simplement l’aiguille de la seringue à une alimentation haute tension. Un collecteur pouvant prendre différentes formes (dans la figure n^o 4 sous la forme d’une plaque) mis à la terre, est le dernier élément employé pour créer le champ électrique. La goutte chargée électriquement au bout de l’aiguille de la seringue commence à se déformer et à prendre une forme conique, appelée cône de Taylor. Lorsque les conditions de débit, de tension, de distance du collecteur, de viscosité et de conductivité de la solution sont optimales, un jet surgit du cône de Taylor. Au fur et à mesure que le jet se dirige vers la plaque de captation, il s’étire rapidement. Les interactions entre les charges entraînent de l’instabilité dans la forme du jet (bending jet), ce qui aide à l’affiner encore plus. L’évaporation du solvant survient très rapidement et les fibres solides de polymère sont formées juste avant d’atteindre la plaque.

Figure n^o 3 — Système de pompe à seringue pour la technique d’électrofilage

Le résultat obtenu est une structure poreuse, ou un amalgame de filaments non tissés (voir image insérée à la figure n^o 4), dont l’aire superficielle est élevée et qui peut être utilisé pour de nombreuses applications.

Figure n^o 4 — Appareillage de base de l’électrofilage et amalgame de filaments électrofilés typiquement obtenu lorsqu’observé à l’aide d’un microscope électronique à balayage (MEB)

Obtention de propriétés spécifiques – mélange

La synthèse de nouveaux polymères pour obtenir certaines propriétés désirées entraîne des coûts importants et prend du temps. La combinaison de deux polymères existants ou plus (mélange) est donc une solution de rechange intéressante pour obtenir un nouvel intervalle de propriétés, selon la proportion du polymère A et du polymère B, dans le cas le plus simple. Les mélanges peuvent être soit miscibles (pas de séparation de phases entre les deux polymères originaux) soit immiscibles (présence d’une séparation de phases entre les polymères). Le deuxième cas étant beaucoup plus fréquent, la dispersion d’un polymère dans un autre est donc un facteur déterminant qui influencera les propriétés finales obtenues. Comme il a été mentionné précédemment, les procédés traditionnels de fabrication sont très différents des microprocédés tels que l’électrofilage. La différence en ce qui concerne l’ordre de grandeur amène d’autres difficultés techniques. Par exemple, si nous prenons un mélange immiscible de deux polymères fabriqué par injection, la taille de la phase dispersée sera habituellement de l’ordre de quelques micromètres. Le diamètre des fibres fabriquées par électrofilage, quant à lui, peut être inférieur à un micron et la phase dispersée, de l’ordre du nanomètre. L’ordre de grandeur, combiné à une aire superficielle plus élevée, peut amplifier l’effet synergique.

Hydrophilie des amalgames de filaments électrofilés

L’obtention des propriétés désirées en surface d’amalgames de filaments électrofilés est d’autant plus importante qu’un grand nombre de chaînes de polymères s’y trouve. Par exemple, ces amalgames de filaments ont une surface naturellement rugueuse pouvant amplifier le caractère naturel hydrophobe (« qui n’aime pas l’eau » — voir figure n^o 5) ou hydrophile (« qui aime l’eau » — voir figure n^o 6) de la surface du polymère. Ces propriétés peuvent être quantifiées selon l’angle de contact formé par une goutte d’eau déposée sur la surface (figure n^o 5b). Si l’angle est supérieur à 90°, la surface est considérée comme hydrophobe; si l’angle est inférieur à 90°, elle est hydrophile. Dans notre laboratoire, nous avons été en mesure de fabriquer un amalgame de filaments électrofilé fortement hydrophobe dont l’angle de contact était d’environ 140° (figures n^o 5a et 5b). La littérature rapporte certains cas de superhydrophobie (angle de contact supérieur à 150°) et même de rebondissement de la goutte d’eau sur la surface.

Après la fabrication d’un amalgame de filaments hydrophobe, un second polymère a été ajouté à la solution avant de procéder à l’électrofilage afin de fabriquer une surface hydrophile. Un amalgame de filaments superhydrophile (angle de contact de zéro degré), qui absorbait rapidement l’eau, a été obtenu (voir figures n^o 6a et 6b). L’analyse de l’amalgame de filaments et de la morphologie des fibres présentée aux figures 5c, 5d, 6c et 6d montre clairement que l’addition d’un second polymère a réduit le diamètre des fibres et a changé la surface de certaines fibres qui sont devenues lisses dans le cas d’une membrane hydrophobe et rugueuse pour la membrane hydrophile. Au laboratoire, l’accent est maintenant mis sur l’approfondissement de notre compréhension de ce phénomène afin d’obtenir des amalgames de filaments électrofilés à l’hydrophilie désirée en choisissant les matériaux et les paramètres de fabrication optimaux.

Figure n^o 5 — Fibres hydrophobes : a) vue générale de gouttes d’eau sur des surfaces électrofilées; b) mesure de l’angle de contact; c) Surface d’une membrane électrofilée observée par MEB (échelle : 200 µm); et d) surface de fibres isolées (échelle : 2 µm)

Figure n^o 6 — Fibres superhydrophiles : a) vue générale de gouttes d’eau sur des surfaces électrofilées; b) mesure de l’angle de contact; c) Surface d’une membrane électrofilée observée par MEB (échelle : 200 µm); et d) surface de fibres isolées (échelle : 2 µm)

En jouant avec les paramètres utilisés durant le procédé d’électrofilage, il est possible d’obtenir différentes morphologies : des gouttes, des fibres, une forme de perles alignées, de même que des fibres de différents diamètres, etc. et d’influencer l’angle de contact final avec l’eau. Le type ou les types de polymères utilisés constituent aussi un facteur important qui a un effet sur la forme et les propriétés des fibres.

Membranes

L’hydrophilie du matériau est importante pour plusieurs types d’industries. En filtration ou en séparation par membranes, par exemple, l’obtention de fibres dont la surface possède les propriétés désirées pourrait permettre la séparation de deux liquides différents, comme l’eau et l’huile. Les amalgames de filaments superhydrophobes peuvent aussi servir de surface autonettoyante, tandis que les amalgames aux surfaces hydrophiles peuvent prévenir l’encrassement (faible adsorption des protéines), ce qui est intéressant pour les applications biomédicales.

Conclusion

Sans s’arrêter à leurs applications possibles, les efforts de notre laboratoire portent principalement à comprendre la manière dont les paramètres de fabrication et les propriétés des matériaux influencent la microstructure du matériau obtenu et, conséquemment, ses propriétés finales (mécaniques, électriques, hydrophiles). En obtenant une microstructure particulière désirée, nous déterminons les propriétés finales qui à leur tour définissent les applications potentielles.

Chaire de recherche ÉTS sur les mélanges et nanocomposites à base de thermoplastiques

Cette vidéo présente la nouvelle chaire de recherche ÉTS sur les mélanges et nanocomposites à base de thermoplastiques : La professeure Nicole Demarquette en est la titulaire.