avec un convoyeur : les formulations sont placées sur un tapis mobile et sont polymérisées sous un faisceau UV statique. Dans le chapitre précédent, notre étude se limitait à des films de 400 µm minimum, l’irradiation était réalisée dans un four, c’est-à-dire en statique et sous une irradiation modérée. Nous avons cherché dans un premier temps à transposer nos connaissances des films « épais » obtenu en statique au procédé industriel.
188 1. Obtention de films minces – Contrôle de l’épaisseur
Afin d’obtenir des films d’épaisseur de l’ordre de 20 µm sur des plaques en verre, nous avons utilisé une barre de Mayer de 26 µm. Il s’agit d’une barre métallique entourée d’un fil d’un certain diamètre (Figure 144). L’épaisseur du film liquide après application de la barre est directement proportionnelle à celle du fil de la barre de Mayer. En effet, les rainures entre les spires de fil déterminent précisément la quantité de liquide qui va passer au travers de la barre.
Figure 144. Schéma d’une barre de Mayer constituée d’un fil de diamètre défini enroulé autour d’une barre métallique. La quantité de formulation qui passe entre les rainures permet de contrôler l’épaisseur du film obtenu.
La formulation acrylate est déposée en ligne à une extrémité du substrat en verre et étalée avec la barre. La formulation est ensuite rapidement (< 10 s) polymérisée sous irradiation UV.
Les films obtenus sont auto-texturés de façon homogène sur des surfaces d’environ 15x15 cm² (Figure 145a). La microscopie optique révèle des texturations aléatoires de taille caractéristique 15,5 ± 1,2 µm, significativement plus faible que celles des films « épais » étudiés au Chapitre 5 (Figure 145b). Ce résultat est en accord avec le fait que la taille des texturations est proportionnelle à l’épaisseur du film.
L’épaisseur de ces films auto-texturés a été mesurée avec précision à 18 µm à l’aide d’un profilomètre à stylet. La différence entre les épaisseurs théorique et expérimentale résulte de deux phénomènes. D’une part, la réaction étant très exothermique, une petite fraction de la formulation s’évapore au cours de la photopolymérisation (perte de masse déterminée expérimentalement à environ 7%). D’autre part, la polymérisation radicalaire s’accompagne d’un retrait.1,2 En effet, la formation de liaisons covalentes au cours de la réaction rapproche les unités monomères (compacité plus importante qu’entre monomères interagissant par liaisons faibles type Van der Waals ou dipolaires). L’ordre de grandeur du retrait pour des monomères acrylates est de 10% en volume.2
formulation substrate to be coated
189 Figure 145. a) Photo macroscopique et b) microscopique de films de HEA (1 mol% amorceur, 2 mol% réticulant, 10 s d’irradiation à 200 mW/cm² obtenus avec une barre de Mayer de 26 µm).
On peut s’interroger sur la limite inférieure de l’épaisseur du film à partir de laquelle l’auto- texturation disparaît. En effet, l’inhibition par l’oxygène de la formulation en surface crée un gradient de réticulation dans l’épaisseur du film. On comprend alors que plus le film sera mince, moins le gradient sera marqué dans son épaisseur (inhibition sur toute l’épaisseur possible) et par conséquent moins la surface pourra texturer (contraintes dues au gonflement trop faibles, chapitre 5). Néanmoins, avec une barre de Mayer de 6 µm, les revêtements sont toujours texturés, bien qu’inhomogènes sur la surface de verre du fait d’un démouillage rapide de la formulation avant sa photopolymérisation. Il faudrait dans ce cas traiter le substrat en verre (greffage chimique par exemple) afin d’améliorer le mouillage de la formulation acrylate.
2. Photopolymérisation avec un convoyeur UV
La photopolymérisation est une technique largement utilisée en milieu industriel pour obtenir des revêtements. Elle fait appel à un convoyeur UV, dans lequel la formulation photosensible est placée sur un tapis mobile qui amène le film sous la lampe UV. On peut alors modifier des surfaces importantes à une cadence élevée. Nous avons cherché à adapter le procédé d’auto- texturation que nous avons étudié dans un four UV (statique) à ce procédé d’irradiation dynamique.
Comme nous l’avons vu au chapitre 5, le temps d’irradiation de la formulation est un paramètre important qui contrôle l’apparition et la stabilité de la texturation. Dans le cas du PEA dans un four UV avec une intensité de 200 mW/cm2, nous avions établi que les texturations apparaissent dès 10 s et sont considérées comme stable à 30 s.
On a cherché à relier les temps d’irradiation aux vitesses du convoyeur UV. Pour cela, un radiomètre mesurant la puissance maximale UV (l’irradiance) et l’énergie UV totale reçue a été placé sur le tapis du convoyeur. On fait l’hypothèse, qu’en un point, l’irradiance passe de 0 à Pmax puis repasse à 0, sur un temps qui correspond au temps d’irradiation. Dans ces conditions, le temps d’irradiation en ce point peut s’exprimer selon la formule :
100 µm
15 cm
190 tirradiation = Ereçue
Plampe
Sur la Figure 146, on a reporté l’inverse du temps d’irradiation déterminé par la formule précédente en fonction de la vitesse du convoyeur. La relation est linéaire, ce qui indique que la détermination du temps d’irradiation avec le radiomètre a du sens. La pente de la droite a la dimension de l’inverse d’une distance, distance qui correspond à la largeur de la zone irradiée dans la direction de déplacement du convoyeur et estimée ici à 4,2 cm. On le voit donc, les UV sont fortement focalisés dans le convoyeur utilisé.
Figure 146. Evolution de l’inverse du temps d’irradiation en fonction de la vitesse du convoyeur.
Figure 147. Photo d’un film de HEA (2 mol% réticulant, 1 mol% amorceur, épaisseur 20 µm) obtenu dans un convoyeur UV à 2 m/min et 600 mW/cm².
De la courbe précédente, on quantifie le temps d’irradiation en fonction de la vitesse du convoyeur, ce qui nous permet de revenir à un paramètre connu de l’auto-texturation. Par exemple, à la vitesse minimale du convoyeur de 2 m/min, le temps d’irradiation d’une bande de largeur 4,2 cm est de 1,3 s. Ainsi, les temps d’irradiation dans le convoyeur sont bien plus faibles que ceux utilisés dans le four UV (minimum 10 s). Pour compenser ce temps d’exposition, on augmente l’intensité des UV au-delà de 600 mW/cm² (contre 200 mW/cm² pour le four UV statique). Dans ces conditions (Figure 147), les films texturent aussi bien que ceux réalisés en statique (Figure 145a) pendant 10 s avec une intensité de 200 mW/cm².
191 Ce résultat prouve qu’augmenter la cinétique de polymérisation en augmentant la puissance des UV permet d’obtenir des revêtements auto-texturés pour des temps d’irradiation plus courts.