Détermination des propriétés mécaniques des films NCC/polymères

NCC/polymères

Bien que de nombreuses études aient été menées pour étudier les propriétés mécaniques des

NCC (Habibi et al. 2010), t s peu o t po t su l tude des p op i t s a i ues des fil s

multicouches à base de NCC. Toutefois, la connaissance de ces dernières est primordiale pour de

potentielles applications dans le domaine des matériaux.

I.2.5.1. Tests conventionnels

La détermination des propriétés mécaniques par les méthodes conventionnelles de traction

essite l o te tio de fil s autosuppo t s e ui ep se te u e diffi ult te h i ue. E effet,

ta t do u u e fo e i te a tio e t e le su st at et le film est indispensable pour la

o st u tio des fil s, il est pas toujou s ais de les détacher du substrat. Par ailleurs, une

paisseu i i ale de l o d e du i o t e est e uise pou pou oi a ipule les fil s, e ui

sous-entend un nombre important de bicouches et par conséquent de longues et harassantes

journées de labeur au laboratoire. Il existe néanmoins plusieurs stratégies pour obtenir des films

autosupportés, o e l utilisatio d u su st at de sili iu e du h d opho e par dépôt

d o tad lt i hlo os la e. Le seul e e ple de esu e du odule d You g pa test de t a tio a t

réalisé par Podsiadlo et al. (Podsiadlo et al. 2007) su u fil PAH/NCC de tu i ie à % d hu idit

relative. Ce film poreux de 1 P d paisseu p se te u odule d You g de GPa et u e o t ai te

à la rupture de 110 MPa (Figure I-21).

Figure I-21 : Courbe contrainte-d fo atio t pi ue d’u fil autosuppo t PAH/NCC (Podsiadlo

et al. 2007)

I.2.5.2. SIEBIMM

Pour pallier la diffi ult d o te tio de films autosupportés, la technique SIEBIMM (Strain

induced elastic buckling instability for mechanical measurements) peut être utilisée pour mesurer le

odule d You g de fil s d paisseu a o- ou micrométrique. Inventée par Stafford en 2005, elle

consiste à déposer un film mince sur un substrat mou auquel on applique une faible déformation en

compression (Stafford et al. 2004, Stafford et al. 2005). Sous la contrainte imposée, le film va flamber

p se ta t u e su fa e id e do t o pou a esu e la lo gueu d o de de fla age et e o te

au odule d You g du fil . De plus a ples d tails o e a t ette te h i ue sont apportés dans

la partie matériels et méthodes. Kan and Cranston (Kan and Cranston 2013) ont appliqué cette

technique à des films (NCC/PEI). Des valeurs de 16, 12 et 3,5 GPa ont été mesurées à 30, 42 et 64 %

d hu idit (Figure I-22). Cette tude o t e ue l paisseu du fil i flue pas su les p op i t s

probablement due au caractère très hygroscopique du PEI et peut-être aussi des NCC dans une

moindre mesure.

Figure I-22 : A) Représentation schématique du phénomène de flambage observé pour un film

multicouche composé de microfibrilles de cellulose (CNF) et de polyéthylèneimine (PEI) déposés sur

u e ou he de PAH su u su st at ou de PDMS. L’ paisseu du fil , df, ainsi que la longueur

d’o de de flambage, O sont indiquées sur le schéma (Cranston et al. 2011). B Module d’You g de

fil s NCC/PEI e fo tio de l’ paisseu d te i pa st ai elasti u kli g i sta ilit fo

mechanical mesurements (SIEBIMM) (Kan and Cranston 2013)

I.2.5.3. Brillouin light scattering

La diffusion Brillouin de la lumière est une autre technique qui peut être utilisée sur les films

sans nécessité de les détacher du substrat pour mesurer les constantes élastiques à un niveau

microscopique et dans des directions spécifiques (Sui et al. 2010). Par cette technique, Sui et al ont

pu montrer que comparativement à des films constitués uniquement de polymères, la présence de

NCC augmente les constantes élastiques dans le plan pour des films (NCC/chitosane) et (NCC/PDDA)

d u fa teu de et , respectivement. La constante élastique normale augmente de 50% dans le cas

des films (PDDA/NCC) mais pas dans le cas des films (NCC/chitosane). Dans le cas des films

PDDA/NCC , l i te fa e e t e le pol e et les NCC se le t e plus diffuse a e des a ocristaux

qui ne sont plus uniquement confinés dans le plan mais pénètrent également dans le plan de la

couche de polymères du dessus, conduisant ainsi à un meilleur transfert de charge entre les couches.

Da s le as des fil s NCC/ hitosa e , l i te fa e doit être plus stratifiée. Par ailleurs, en augmentant,

le nombre de bicouches la raideur augmente plus rapidement dans le plan du film que

perpendiculairement au plan.

I.2.5.4. Propriétés des films multicouches à base de CNC

Lorsque les films sont construits sur des substrats réfléchissant comme les wafers de silicium,

et pou u e e tai e paisseu , les fil s CNC/pol e p se te t des ouleu s d i te f e es ui

d pe de t de l a gle d o se atio Figure I-20) (Cranston and Gray 2006, Cerclier et al. 2011,

Cerclier et al. 2011, Dammak et al. 2013). Ces ouleu s p o ie e t d i te f e es e t e les a o s

lu i eu fl his à l i te fa e ai /fil et film/substrat. Cette propriété nous montre que la rugosité

des films est suffisamment faible pour permettre la séparation des différentes couleurs du spectre

de la lumière blanche. La couleur des films peut être contrôlée par réflectivité optique (Cranston and

Gray 2006) et d pe d à la fois de l paisseu et de l i di e de f a tio o e du fil . Cette

propriété a été utilisée pour préparer des détecteurs enzymatiques pou o t ôle l a ti it

d e z es apa les d h d ol se la io asse dans les processus de production de bioéthanol

(Cerclier et al. 2011). En effet, lorsque les enzymes cellulases sont déposées sur des films minces

CNC/XG , p se ta t i itiale e t d i te ses ouleu s, la d g adatio e z ati ue g e

lo ale e t u e di i utio de l paisseu totale du fil et pa o s ue t u ha ge e t de couleur

isi le à l œil u (Figure I-23). Ce test enzymatique qualitatif est simple, rapide et 150 fois plus

sensible que les tests conventionnels (Cerclier et al. 2011). De façon similaire, des films (CNC/xylane

atio is o t t fa i u s pou la d te tio de l a ti it des la ases. Cepe da t, da s e as-ci,

la thode est gu e plus se si le ue les tests olo i t i ues ou a e t utilis s.

Figure I-23 : Tests de dégradation enzymatique de films (NCC/XG)5 et (NCC/XG)8 après 30 et 60 min

de réaction pour des concentrations décroissantes en enzyme indiquées sur la figure (Cerclier et al.

2011).

Il est également possible de générer des surfaces antiréflectives en déposant des

multicouches (NCC/polymère). Théoriquement, un revêtement antiréflectif doit répondre à deux

conditions : l i di e de f a tio du fil doit t e gal à

s

× na)

0,5

avec n

a

et n

s

les indices de

f a tio de l ai et du su st at et l paisseu du fil doit t e gale à /4, avec , la lo gueu d o de

de la lu i e i ide te. Si l o o sid e u su st at de e e, d i di e de f a tio , ; cela donne

un indice de réfraction du film de 1,22. Cette condition peut être remplie en utilisant des NCC de

réfraction avoisinant les 1,22. Podsiadlo et al. ont pu créer de tels revêtements en déposant des films

multicouches (NCC/PEI) sur des lames de verre (Podsiadlo et al. 2007). Pour un nombre optimum de

bicouches, la transmittance atteint quasiment 100% avec un indice de réfraction de 1,28 à = 532

nm.

Dans le document Films multicouches à base de nanocristaux de cellulose : relation entre structure et propriétés mécaniques et/ou optiques (Page 53-57)