Chapitre IV : Fonctionnalisation des textiles : élaboration, caractérisations et propriétés
3. Influence des nanostructures carbonées au sein des assemblages LbL
3.1. Suivi de la construction des films LbL sur textiles
Afin de mesurer l’impact de la présence d’adsorbants carbonés et de leur nature sur les propriétés photocatalytiques des films, la fonctionnalisation des textiles par trempage, optimisée préalablement pour les revêtements de référence PEI(TiO2/PDDA)n a été appliquée. Les suspensions
employées sont les mêmes que celles utilisées pour fonctionnaliser des wafers de silicium (Tableau 10, page 98).
Les suivis des incréments en masse, dû à la fonctionnalisation par trempage du textile par les films LbL PEI(TiO2/PDDA)n, PEI(TiO2/FLG)n, PEI(TiO2/PDDA/ND/PDDA)n, et PEI(TiO2/PDDA/AC/PDDA)n
après chaque dépôt de LP, sont présentés et comparés en Figure 100.
Figure 100 : Suivi de l’incrément en masse, dû à la fonctionnalisation par trempage du textile par les films LbL
PEI(TiO2/PDDA)n, PEI(TiO2/FLG)n, PEI(TiO2/PDDA/ND/PDDA)n, et PEI(TiO2/PDDA/AC/PDDA)n après chaque dépôt de LP.
Les ND retenus (cf. Chap. III, page 123) ont des diamètres de 4 nm en moyenne. L’incrément en masse est régulier pour chacun des films LbL et vaut 0,63% pour le film LbL PEI(TiO2/PDDA)n, 0,41%
pour le film LbL PEI(TiO2/FLG)n, 0,46% pour le film LbL PEI(TiO2/PDDA/ND/PDDA)n, et 0,76% pour le
film LbL PEI(TiO2/PDDA/AC/PDDA)n. Ces observations diffèrent de celles relevées pour les films
déposés sur wafer de silicium. Les films PEI(TiO2/PDDA)n, PEI(TiO2/PDDA/ND/PDDA)n, et
PEI(TiO2/PDDA/AC/PDDA)n avaient des incréments en épaisseurs proches, bien plus importants que
celui du film PEI(TiO2/FLG)n (cf. Chap. II, Figure 45 page 99). Ces différences de comportement
peuvent s’expliquer par le changement de support, des conditions expérimentales et par la différence de densité des différents composés notamment.
Malheureusement, dans le cas des textiles, il n’est pas possible d’avoir le suivi en épaisseur résultant des mesures ellipsométriques comme sur surfaces modèles.
3.2. Caractérisation des films LbL déposés sur textile avec 10 LP
Les différents films LbL ainsi élaborés avec les nanostructures carbonées par trempage sur textile sont ensuite caractérisés par analyses chimiques et par MEB.
3.2.1. Analyses chimiques
Les résultats des analyses chimiques sont présentés dans le Tableau 24 pour chaque type de fonctionnalisation, ainsi que pour rappel les résultats obtenus sur wafer de silicium (voir Chap. II,
Tableau 13, page 104). Il est possible de remarquer que la quantité de TiO2 déposée sur textile est
plus de 100 fois plus importante que la quantité de TiO2 déposée sur wafer de silicium dans les
mêmes conditions de dépôt. Cette différence très importante peut provenir entres autres d’une meilleure affinité des suspensions et/ou solutions de matériaux à déposer avec le support textile, et/ou du fait que la surface géométrique du textile (composé de fibres) soit beaucoup plus importante que celle du wafer de silicium (très lisse).
Films concernés C. surfacique de TiO2 déposée sur wafer de silicium par LP (g·m-2)
C. surfacique de TiO2 déposée sur textile par LP (g·m-2)
PEI(TiO2/PDDA)10 0,07 ± 0,1 9,88 ±0,16
PEI(TiO2/FLG)10 0,01 ± 0,001 8,72 ± 0,23
PEI(TiO2/PDDA/AC/PDDA)10 0,04 ± 0,005 7,87 ± 0,12
PEI(TiO2/PDDA/ND/PDDA)10 0,09 ± 0,005 8,63 ± 0,16
Tableau 24 : Concentration (C.) surfacique de TiO2 déposée dans les films, obtenue par analyses chimiques (les ND
employés ont une taille de 4 nm).
Dans un second temps, les incréments en masse mesurés par pesées des textiles après fonctionnalisation et l’incrément en masse de TiO2 sur wafer de silicium mesuré par analyses
chimiques sont présentés et comparés dans le Tableau 25. Notons que les mesures sur textile sont assez proches. En effet, la mesure de l’incrément en masse par pesée prend en compte la présence de PDDA, ou de AC, ou des ND en plus de TiO2, ainsi que l’humidité relative des films. Nous
observons ainsi que la majorité de la masse déposée sur les textiles est due au dépôt de TiO2. La
différence la plus importante est observée pour les films à base de ND. Ceci peut certainement s’expliquer par le fait que les ND sont plus denses que les autres matériaux.
Incrément en masse mesuré par pesée (%) (cf. Figure 100)
Incrément en masse de TiO2 mesuré par analyses chimiques (%)
PEI(TiO2/PDDA)10 12 ± 1 10 ± 1
PEI(TiO2/FLG)10 10 ± 1 9 ± 1
PEI(TiO2/PDDA/AC/PDDA)10 10 ± 1 8 ± 1
PEI(TiO2/PDDA/ND/PDDA)10 17 ± 2 9 ± 1
Tableau 25 : Incrément en masse mesuré par pesées et par analyses chimiques des textiles après fonctionnalisation par
trempage par les films LbL PEI(TiO2/PDDA)n, PEI(TiO2/FLG)n, PEI(TiO2/PDDA/ND/PDDA)n, et PEI(TiO2/PDDA/AC/PDDA)n.
3.2.2. MEB
Les images MEB des films LbL élaborés par trempage sur textile sont présentées en Figure 101, à savoir les films LbL PEI(TiO2/PDDA)10 (Figure 101a et b), PEI(TiO2/FLG)10 (Figure 101c et d),
PEI(TiO2/PDDA/AC/PDDA)10 (Figure 101e et f) et PEI(TiO2/ PDDA/ND/PDDA)10 (Figure 101g et h). Il est
possible de se rendre compte qu’à l’échelle microscopique, les fibres sont relativement bien recouvertes. Toutefois, les films à base de AC (Figure 101e et f) semblent plus expansés que les
autres films, donnant un aspect plus « cotonneux ». Les revêtements à base de ND, quant à eux, semblent légèrement plus clairsemés à la résolution de l’observation.
Figure 101 : Images MEB de fibres textiles fonctionnalisées par trempage avec des films LbL a) PEI(TiO2/PDDA)10 à faible
grandissement et b) à plus grand grandissement, c) PEI(TiO2/FLG)10 à faible grandissement et d) à plus grand grandissement, e) PEI(TiO2/PDDA/AC/PDDA)10 à faible grandissement et f) à plus grand grandissement, g) PEI(TiO2/PDDA/ND/PDDA)10 à
3.3. Comparaison des performances photocatalytiques des textiles
fonctionnalisés par les films LbL à base d’adsorbants carbonés avec
une forte concentration en DMMP (20 g·m
-2)
Les textiles fonctionnalisés avec les films LbL par trempage sont testés en photocatalyse vis-à-vis de la photo-oxydation du DMMP sous forme de gouttelettes pour des conditions de concentration en contaminant sévères (C0 = 20 g·m2, à 11°C, sousirradiationUV-A (77 W·m-2, dont 64 W·m-2 dans la
gamme UV-A)). Les résultats sont présentés sur la Figure 102, pour les films PEI(TiO2/PDDA)n (a),
PEI(TiO2/FLG)n (b), PEI(TiO2/PDDA/AC/PDDA)n (c) et PEI(TiO2/ PDDA/ND/PDDA)n (d).
Figure 102 : Résultats des tests photocatalytiques vis-à-vis de la photo-oxydation du DMMP sous forme de gouttelettes
(C0 = 20 g·m2, à 11°C, sousirradiationUV-A (77 W·m-2, dont 64 W·m-2 dans la gamme UV-A)), pour des films LbL élaborés par
trempage a) PEI(TiO2/PDDA)n, b) PEI(TiO2/FLG)n, c) PEI(TiO2/ PDDA/AC/PDDA n, et d) PEI(TiO2/PDDA/ND/PDDA)n. Notons
qu’il y a une barre d’erreur de 10% en relatif pour chacun des tests.
Les résultats photocatalytiques montrent qu’après 50 minutes d’irradiation, globalement entre 30 et 40% de la quantité initiale de DMMP est photo-oxydée, ceci quelles que soient les nanostructures carbonées associées à TiO2. En effet, les résultats obtenus sont relativement proches,
comme le montre la comparaison des meilleurs films pour chaque type de matériau en Figure 103. Ainsi, dans ces conditions expérimentales, il n’y a pas d’effet notable de la présence et de la nature des nanostructures carbonées associées à TiO2, contrairement aux résultats obtenus avec le DES en
phase gazeuse (cf. Chap. III, Tableau 14, page 122). Ces différences d’activité peuvent être dues aussi bien à des réactivités différentes entre le DMMP et le DES, aux conditions de tests non comparables (phase gaz vs gouttelettes liquides en mode statique) ou à des natures (chimiques) et morphologiques des substrats complètements différentes ne permettant pas la comparaison des
fonctionnalisations. Les propriétés d’adsorption des nanostructures carbonées n’ont certainement pas le même impact pour des réactifs (ou produits de réaction) gazeux ou liquides.
Figure 103 : Résultats des tests photocatalytiques vis-à-vis de la photo-oxydation du DMMP sous forme de gouttelettes
(C0 = 20 g·m2, à 11°C, sousirradiationUV-A (77 W·m-2, dont 64 W·m-2 dans la gamme UV-A)), pour les films LbL élaborés par
trempage, ayant montrés les meilleurs performances, à savoir les films LbL PEI(TiO2/PDDA)10, b) PEI(TiO2/FLG)10, c) PEI(TiO2/ PDDA/AC/PDDA)10, et d) PEI(TiO2/PDDA/ND/PDDA)15. Notons qu’il y a une barre d’erreur de 10% en relatif pour
chacun des tests.
Des analyses chimiques ont également été menées sur ces textiles fonctionnalisés après tests
photocatalytiques vis-à-vis de la photo-oxydation du DMMP, après 50 minutes d’irradiation sous UV-A, afin de déterminer la quantité de phosphore résiduelle (dû à la photo-oxydation du DMMP, soit des phosphates ou des molécules organophosphorées), qui pourrait empoisonner les sites actifs de TiO2. Malheureusement, les textiles non fonctionnalisés et non testés en photocatalyse possèdent
également une quantité non négligeable de phosphore (environ 2,7 g·m-2 déterminé par analyses chimiques). Ceci ne permet pas de comparer le dépôt de phosphore sur les films, dû à la photo- oxydation du DMMP. La présence du phosphore dans les textiles d’origine peut s’expliquer par le fait que les textiles ont été lavés et repassés après leur fabrication, or la lessive peut contenir des phosphates. De plus, la composition chimique des fibres textiles n’est pas connue dans le détail. Or la viscose Flame Retardant peut très bien contenir des phosphates, connus pour leurs propriétés de retardateur de flamme269. Nous n’avons malheureusement pas pu avoir connaissance de la composition chimique exacte des textiles qui nous ont été fournis par la société Sagem.
En résumé, il n’y a que peu d’impact de la présence des nanomatériaux carbonés FLG, ND ou
AC sur les performances photocatalytiques des films élaborés sur textile vis-à-vis de la photo-
oxydation du DMMP déposé sous forme de gouttelettes. En moyenne, jusqu’à 40% de la quantité
initiale de DMMP est photo-oxydée après 50 minutes d’irradiation sous UV-A dans nos conditions sévères de tests (concentration initiale en DMMP de 20 g·m-2, température de test de 11°C et irradiation avec une lampe de 77 W·m-2, dont 64 W·m-2 dans la gamme UV-A). Des tests en conditions plus standards et moins drastiques sont présentés dans la partie suivante.