quelques microns et son extrémité peut être représentée par une sphère avec le rayon de courbure de quelques dizaines de nanomètres. Le levier, ayant la constante de force variée

suivant l’application, est typiquement caractérisé par sa fréquence de résonance et ses

constantes de raideur normale, de flexion et de torsion. Les déflexions horizontales et

verticales de ce dernier sont détectées par la déviation d’un faisceau laser réfléchi par

l’extrémité du levier vers un détecteur constitué d’une photodiode à quatre secteurs. Un

scanner piézoélectrique permet les mouvements tridimensionnels de l’échantillon. Ce

balayage se fait généralement à fréquence constante comprise entre 0.1 et 300 Hz.

Figure 2.6. Schéma illustrant les principales composantes d’un AFM Multimode

L’AFM possède plusieurs modes de fonctionnement dépendant du type de surface à étudier.

On retrouve notamment le mode contact, dans lequel la pointe est en contact permanent avec

l’échantillon. Ce mode présente l’avantage de visualisation rapide. Mais en contrepartie, il

impose une force latérale importante qui peut endommager la surface de l’échantillon. Pour

s’affranchir de ce problème, le mode contact intermittent (Tapping mode) a été introduit.

L’idée de base de ce mode dynamique est de remplacer les contacts entre la pointe et la

surface par des approches brèves de la pointe oscillante (Fig. 2.7). Le levier utilisé va osciller

avec une fréquence proche de sa fréquence de résonance (entre 40 et 400 kHz). Au voisinage

de la surface, les interactions entre la surface et la pointe changent de manière significative

l’amplitude des oscillations de la pointe et la phase du signal, qui est définie comme la

différence entre la phase de l’oscillation forcée imposée par le système et celle de la réponse

du levier. Par conséquent, l’imagerie en contraste de phase serait particulièrement efficace

dans l’étude de la variation des propriétés viscoélastiques du matériau.

Chapitre 2

-28-Figure 2.7. Schéma comparant le signal d’oscillation libre du levier dans l’air et au

contact avec la surface de l’échantillon en « Mode Tapping ».

Afin de permettre à l’AFM d’opérer à haute température, le MultiMode est équipé de

quelques accessoires de chauffe, rassemblés sur la Figure 2.8. On retrouve en particulier un

four pour l’échantillon et une résistance chauffante intégrée dans le porte levier. En effet, la

chauffe de la pointe est nécessaire car elle permet d’éviter la condensation de la vapeur d’eau

sur la pointe lorsque la température de l’échantillon excède approximativement les 100 °C.

La température de l’échantillon est mesurée par un thermocouple placé en dessous du porte

échantillon, tandis que la température de la pointe est déterminée à partir du déplacement de

la fréquence de résonance de levier

. De plus, la température du scanner est contrôlée par un

système de refroidissement à eau. Les expériences sont réalisées sous atmosphère d’hélium

ou d’argon.

Figure 2.8. (A) Un microscope Multimode avec les accessoires thermiques installés, (B) un contrôleur

de température et (C) les composantes principales du système de chauffe assemblées au dessus du

scanner piézoélectrique.

L’analyse des données obtenues par AFM peut être effectuée dans l’espace direct et

réciproque. Cependant, les images subissent un traitement préliminaire qui consiste en un

aplatissement de l’image par une soustraction d’une constante, d’un plan ou d’un hyper plan

du second ordre. L’analyse des images dans l’espace direct est d’ordre semi-quantitatif se

limitant à l’étude des sections de l’image afin de mesurer les épaisseurs caractéristiques de la

structure semi-cristalline. Dans l’espace réciproque, l’analyse est effectuée par une méthode

analogue à celle employée pour l’étude SAXS. Le traitement d’image consiste d’abord à

masquer les parties qui ne contiennent pas la structure semi-cristalline (régions sans lamelles

ou défauts dans l’échantillon). Les images sont ensuite binarisées par un programme fait

maison, en une composante représentant les régions cristallines et l’autre les régions

amorphes. De l’image binaire ainsi obtenue, on va extraire une fonction de corrélation à une

dimension et ainsi en déduire les épaisseurs caractéristiques de la morphologie

semi-cristalline. La transformation de l’image binaire à deux dimensions vers la fonction de

corrélation à une dimension est décrite plus en détail ultérieurement (voir Chapitre 3 § 3.2.3).

Chapitre 2

-30-2.2. MATERIAUX

Les polymères semi-cristallins investiguées dans cette étude sont des polyesters appartenant

à la famille des polymères aromatiques linéaires à chaînes semi-rigides. Il s’agit du

polyéthylène téréphthalate (PET) et le polytriméthylène téréphthalate (PTT) dont les

principales caractéristiques sont présentées ci-après.

2.2.1. Le Polyéthylène tétéphtalate (PET) :

Dans le monde des matériaux plastiques, le PET est l’un des polymères les plus utilisés. En

effet, ce dernier peut être obtenu aussi bien dans un état totalement amorphe ou dans un état

semi-cristallins. Sa cristallisation peut être induite par refroidissement à partir du fondu de

même que par chauffe (cristallisation à froid) ou par étirement à partir de l’état vitreux. Par

conséquent, le PET est très adéquat pour les processus de façonnage, ce qui lui confère un

large domaine d’applications, notamment dans les fibres synthétiques, les films d’emballages

ou dans l’isolation électrique. Ce polyester aromatique est obtenu par la polycondensation de

bis(2-hydroxyethyl) téréphthalate (BHET), lui-même obtenu soit par transestérification

catalytique du diméthyl téréphtalate (DMT) et de l’éthylène glycol (EG) ou par une

estérification directe de l’acide téréphtalique (TA) et de l’éthylène glycol. Le Tableau 2.1

résume quelques grandeurs caractéristiques du PET, relatives à sa maille cristalline, sa

cristallisation, sa transition vitreuse et sa densité. Le monomère constituant la chaîne du PET

et sa maille cristalline sont représentés sur les Figures 2.9.

Tableau 2.1 Quelques grandeurs caractéristiques du PET

.

Structure et paramètres de maille cristalline Triclinique,

a = 4.56 Å, b = 5.94 Å, c = 10.75 Å ;

α=98.5°, β=118°, γ=112°

Densité à l’état semi-cristallin et amorphe ρ

=1.455 g/cm³ ; ρ

=1.335 g/cm³

Coefficient d’expansion volumique Cristallin (T>T

) : β = 1.7×10

°C

Cristallin (T<T

) : β = 3.94×10

°C

Température de fusion T

= 250 -265 °C

Enthalpie de fusion ∆H

=2.69 kJ/mol

Figure 2.9. La maille cristalline élémentaire du PET telle que déterminée par Daubeny et al.

Le PET utilisé dans ce travail provient de l’Imperial Chemical Industries ICI (grade E47).