Analyse fibres de POE

Alignement aléatoire Concentration en polymère

Les échantillons de fibres de POE produits à partir de différentes concentrations avaient trois objectifs : déterminer l'efficacité du montage initial dans la fabrication de fibres nanométriques, comparer les substrats de verre et d'aluminium et enfin déterminer la concentration optimale pour obtenir des fibres de POE lisses avec le plus petit diamètre possible. Le premier objectif a visiblement été atteint en inspectant les images MEB des fibres, spécialement celles issues des concentrations de 4 % et 6 % (voir figure 12 et 14). Le deuxième objectif, la comparaison des substrats de verre et d'aluminium, a donné lieu à des résultats assez différents et prévisibles en considérant les propriétés électriques des deux matériaux. Le verre, diélectrique, forme un écran entre la fibre chargée et la masse électrique alors que le papier d'aluminium, en contacte avec le collecteur, n'entrave pas la déposition des fibres. Seulement deux images, correspondant aux concentrations de 4 % et 6 % (voir figure 13 et 15), ont été utilisées dans la section résultat pour illustrer l'influence du substrat de verre. À une concentration de 2 % en POE, aucune déposition n'est visible sur la lamelle. Comme l'indique la figure 11, une telle concentration donne lieu à un échantillon composé principalement de gouttes plus ou moins reliées entre elles par de

minces fibres. La plupart des fibres dans cette image semble avoir été sectionnées par l'inertie trop importante des gouttes dispersées par la tension électrique. Les gouttes ainsi séparées les unes des autres agissent donc indépendamment et sont influencées uniquement par l'attraction de la masse électrique. Elles évitent ainsi plus facilement la région diélectrique du verre comparativement à une fibre entière dont l'inertie peut contrer l'attirance de la masse électrique et faire atterrir la fibre sur une région diélectrique comme dans le cas des concentrations de 4 % et 6 %. Les fibres atterrissant sur ce substrat semblent cependant avoir subi les effets de l'accumulation des charges à la surface du verre. Leur diamètre est beaucoup moins régulier que sur les échantillons des substrats d'aluminium.

Si on s'intéresse au diamètre des fibres provenant d'une même concentration mais produites sur des substrats différents, on observe que la taille des fibres d'une concentration de 4 % en POE est en moyenne 20 % plus faible sur substrat de verre que sur substrat d'aluminium alors que les fibres issues d'une concentration de 6 % en POE sont 8 % plus grosses en moyenne sur substrat de verre que sur substrat d'aluminium. Ces pourcentages sont seulement basés sur les images de deux échantillons alors une variation de 8 % peut être négligeable si on considère le nombre de paramètres en jeu, mais une variation de 20 % est plus significative. Étant donné que les forces électriques sont très complexes autour d'une plaque diélectrique, il est difficile d'analyser qu'est ce qui a pu causer une telle variation. Ces résultats ne font qu'illustrer la variabilité du procédé lorsqu'un collecteur ajoute de l'instabilité dans le procédé.

Les échantillons d'une concentration de 8 % en POE ne donnant aucune fibre, seule l'image du substrat d'aluminium est présentée. Cette concentration est tellement élevée que la tension électrique n'est pas assez forte pour amener la fibre dans une ou plusieurs régions d'instabilité. Le jet produit reste rectiligne jusqu'à ce qu'il atteigne le substrat. La distance parcourue par ce jet est donc extrêmement plus faible que les autres concentrations car le jet n'a aucune vitesse tangentielle au collecteur. La récolte reste donc humide et ne contient aucune fibre créée par électrofilature. De plus, la viscosité élevée freine la vitesse du jet, limitant ainsi l'évaporation du solvant contenue dans la solution. Un phénomène intéressant peut cependant être observé dans la deuxième image MEB de l'échantillon à 8

% (voir la figure 16). En séchant, des crevasses microscopiques se forment dans le matériau. Des fibres extrêmement petites pouvant atteindre 35 nm se forment entre les parois de ces crevasses. Ironiquement, malgré les efforts pour obtenir des fibres d'un diamètre le plus petit possible par électrofilature, cet échantillon comporte les fibres les plus minces créées dans ce projet.

Le troisième et dernier objectif de ces échantillons est de trouver la concentration de POE produisant les plus petites fibres tout en gardant une bonne uniformité au niveau du diamètre. Pour établir cette concentration, la moyenne des diamètres et le rapport entre l'écart type des diamètres d'une population de fibre avec sa moyenne sont utilisés. Bien que les plus petites fibres recueillies, excluant celles issues des solutions à 2 % et 8 %, l'aient été sur substrat de verre pour la concentration de 4%, seuls les échantillons sur substrat d'aluminium sont comparés pour l'homogénéité des populations et pour la quantité de fibre produite. Le diamètre moyen des fibres produites d'une solution de concentration de 4 % en POE est de 248,8 nm pour un écart type de 49,8 et un rapport écart- type/moyenne de 0,20 (voir figure 12). Le diamètre moyen des fibres produites d'une solution de concentration de 6 % en POE est de 285,2 nm pour un écart type de 45,7 et un rapport écart-type/moyenne de 0,16 (voir figure 14).

La moyenne des diamètres des fibres est donc plus élevée lorsqu'on utilise une concentration plus élevée en polymère, ce qui est en accord avec la théorie. La plus faible quantité de solvant pouvant s'évaporer avant que la fibre se rigidifie et la plus haute viscosité freinant les influences des régions d'instabilité limitent le rétrécissement du diamètre des fibres. Il est donc nécessaire d'abaisser cette concentration pour obtenir des fibres minces, mais la qualité des fibres et l'homogénéité de la population seront affectées si la concentration est trop faible comme le démontre le cas d'une concentration de 2 % en POE.

L'analyse de l'écart-type permet de déterminer l'étendu de la plage des diamètres des fibres dans un même échantillon et permet de quantifier l'homogénéité de la population. Le rapport écart-type/moyenne est utilisé pour comparer des écarts type de populations ayant une moyenne différente. Un rapport plus élevé indique une plus grande dispersion des diamètres autour de la moyenne. Les rapports des populations sont de 0,20 pour la

concentration de 4 % et de 0,16 pour la concentration de 6 %. L'homogénéité semble donc plus grande dans l'échantillon de 6%. Cependant, une large contribution de l'écart-type est due à un faible pourcentage de fibre ayant des diamètres de plus de 400 nm dans les deux échantillons. Si on exclue ces fibres du calcul de l'écart-type, on obtient des rapports de 0,126 pour la concentration de 4 % et de 0,134 pour la concentration de 6 %. Cette perte d'homogénéité est donc due à la présence de ces plus grosses fibres et non à l'apparition d'une instabilité issue du manque de polymère produisant des fibres irrégulières. La concentration de 4 % produit donc des fibres d'une homogénéité semblable à celle de 6 % si on exclue les extrêmes.

Distance aiguille/collecteur

Les échantillons produits en modifiant la distance aiguille/collecteur avaient pour objectif de confirmer la théorie derrière la modification de ce paramètre du montage. En observant les figures 15 à 18, on constate qu'à partir d'une distance donnée, les fibres se transforment en gouttelettes et, éventuellement, l'aspect fibreux du dépôt est complètement perdu. Il existe donc des similitudes entre des fibres issues d'une concentration peu élevée en polymère (voir figure 11) et des fibres produites d'une distance aiguille/collecteur trop élevée (voir figure 18). Bien qu'on assiste au même type de dépôt, ces deux paramètres affectent d'une façon différente le processus d'électrofilature. Pour une solution en dessous du seuil de concentration nécessaire à l'électrofilature, la faible viscosité permet à la tension de surface du liquide de créer des gouttes. Moins il y a de chaines de polymère dans la solution, moins elles s'entremêlent, diminuant ainsi la viscosité et la chance d'obtenir un jet continu. Pour la distance entre l'aiguille et la plaque collectrice, on observe un autre phénomène. Pour une grande distance, les régions d'instabilité où le jet est étiré sont plus grandes. Le jet devient tellement étiré par ces régions qu'éventuellement, la tension de surface du liquide prend le dessus et forme des gouttes. Les échantillons illustrant l'effet de la distance aiguille/collecteur ont été effectués sur du verre, avant que le substrat de papier d'aluminium ait prouvé sa supériorité. C'est pourquoi la quantité de fibres ou de gouttes est inférieure aux échantillons de 4 % et de 6 % en concentration sur substrat d'aluminium.

Alignement coaxial

Les objectifs de ces échantillons étaient de savoir s'il était possible d'aligner coaxialement des fibres de POE avec ce type de collecteur et de déterminer l'influence de la tension électrique négative sur le degré d'alignement de l'échantillon.

En comparant les figures 21, 22 et 23 avec les autres images de fibres de POE alignées aléatoirement, on observe que la majorité des fibres ont bel et bien été alignées coaxialement. Certaines fibres dérogent cependant de l'alignement général et semblent s'être déposées au travers des fibres déjà présentes entre les lames. C'est un phénomène qui a aussi été observé en déposant des fibres de POE sur des pointes de tantale disposée circulairement et reliées à la masse électrique.

Figure 24 - Fibres de PEO déposées sur une série de pointes de tantale

On observe que les fibres se déposent préférentiellement entre les pointes métalliques, mais que toute la surface entre les pointes est utilisée. Même si le POE est un mauvais conducteur comparé aux pointes métalliques, plus il y a de fibres entre les pointes, plus la chance que certaines fibres s'y déposent est élevée. La conduction des fibres déjà déposées peut aussi être non négligeable si une portion du solvant est encore présente dans la fibre. C'est pourquoi un alignement parfait dans l'un ou l'autre de ces collecteurs est impossible. En fait, on peut s'attendre à ce que l'alignement soit de plus en plus difficile à mesure que la conductivité du polymère et du solvant utilisés augmentent.

Le deuxième objectif visé était de savoir si l'intensité de la tension électrique utilisée sur les deux lames a un effet sur le degré d'alignement des fibres. En inspectant les figures 21, 22 et 23, aucune différence majeure dans l'alignement des fibres n'est visible. Malheureusement, les seules images MEB disponibles ne sont pas à la même échelle, mais l'alignement semble sensiblement le même entre une tension négative de -1 kV et -3 kV.