PROCEDURES EXPERIMENTALES
4. Prétraitement du substrat
4.1. Nettoyage au savon ou au détergent
Méthode avec le savon liquide : L’échantillon est savonné avec un liquide pour vaisselle, rincé à l’eau distillée, puis à l’acétone et enfin à l’eau distillée. L’échantillon est ensuite placé dans un bain d’éthanol et soumis aux ultrasons pendant cinq minutes, puis rincé à l’éthanol et séché à l’air comprimé. Une méthode plus rapide a également été testée : l’échantillon est savonné puis rincé à l’eau distillée, passé aux ultrasons dans un bain d’acétone pendant cinq minutes et séché à l’air comprimé.
Méthode avec un détergent : L’échantillon est rincé sous l’eau du robinet. Le détergent pur ou à 2% imbibé sur un morceau de coton est appliqué sur les deux faces et les tranches de l’échantillon, puis celui-ci est rincé à l’eau. L’opération est recommencée une autre fois puis l’échantillon est rincé à l’eau distillée et séché à l’air comprimé.
4.2. Traitement UV
Après le nettoyage par un détergent, le substrat est irradié sous UV pendant une heure. L’échantillon est placé sur le réfrigérant situé au-dessus de la lampe. Le montage est présenté Figure 3.
Figure 3 : Schéma et photographie du dispositif pour le traitement UV lors du nettoyage de l’échantillon (lampe Philips HPK 125W et système réfrigérant avec filtres optiques)
Le côté du verre recouvert de la couche mince de TiO2 fait face à la lampe. L’intensité
globale d’irradiation est de 47 mW cm-2. Le dispositif est sous la hotte. Les deux filtres
optiques de la cuve à eau choisis dans le cadre du prétraitement UV sont en Quartz. Les filtres optiques Corning permettent de couper certaines longueurs d’onde émises par la lampe UV. Selon la gamme de longueurs d’onde sélectionnée, la nature de l’irradiation correspondra aux UV-A, B ou C comme présenté Figure 4.
Les filtres quartz permettent d’utiliser les UV-C en plus des UV-A et B émis par la lampe. Toute la gamme de longueurs d’onde de la lampe est sélectionnée, aussi l’intensité obtenue est plus forte.
UV Echantillon Réfrigérant avec deux filtres quartz Lampe HPK125W et son système réfrigérant
Figure 4 : Classification du rayonnement électromagnétique en fonction de la longueur d’onde (nm)
L’irradiation UV du verre autonettoyant déclanche à sa surface, en présence d’eau et d’oxygène présents dans l’atmosphère, des réactions en chaîne permettant la dégradation des produits organiques et par conséquent le nettoyage du substrat. Sous UV-C, la dégradation des molécules organiques est réalisée par photocatalyse, mais aussi par photochimie.
4.3. Traitement UV-C / ozone
Après un nettoyage physico-chimique au RBS 25 2% sur les deux faces, l’échantillon de
verre autonettoyant est irradié sous UV-C / ozone pendant 45 min (face TiO2 côté lampe).
L’irradiation UV-C est fournie par plusieurs lampes Heraeus de type NNQ dont le spectre d’émission est présenté Figure 5 et les caractéristiques décrites dans le Tableau 8. Le spectre d’émission de ces lampes Heraeus est constitué d’une bande à 185 nm et d’une seconde à 254 nm.
Les radiations UV-C à 185 nm sous un flux d’oxygène (O2) provoquent la production
d’ozone (O3). Le flux irradiant est de 7,5 mW cm-2 à 254 nm (distance lampe - échantillon = 3
cm). On peut déduire l’intensité de la bande à 185 nm d’après le spectre d’émission puisque son flux irradiant correspond à environ 24% de celui de la bande à 254 nm, soit un flux de 1,8
Figure 5 : Spectre d’émission typique de lampe NNQ avec des bandes à 254 et 185 nm107
Spectre Lampe NNQ : Longueurs d’onde 185 nm, 254 nm
Puissance électrique 5 - 50 W
Capacité UV typique à 254 nm 40 %
Capacité UV typique à 185 nm 5 - 10 %
Puissance électrique spécifique 0,5 W cm-1
Longueur d’arc 10 - 100 cm
Température ambiante typique 10 - 30°C
Tableau 8 : Données techniques des lampes UV-C basse pression Heraeus NNQ107
La technique de nettoyage par UV-C / ozone est capable de produire des surfaces propres jusqu’à un niveau atomique lorsqu’elles ont été préalablement nettoyées par un
procédé plus classique108. Elle provoque une destruction des polluants organiques en les
oxydant en H2O et CO2.
4.4. Plasma
Le traitement plasma basse pression est une technique de traitement de surface consistant à placer un échantillon dans un milieu gazeux très réactif obtenu par une décharge
160 200 240 280 320 360 400 440 480 λ (nm) 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 S p ectre i rrad iant (u.a.)
électrique entre deux électrodes dans un milieu sous vide primaire. Différentes interactions ont été observées entre le plasma et la surface des échantillons : nettoyage, décapage – gravure, fonctionnalisation – activation de la surface109, 110. Dans le cas du TiO2, le traitement par plasma a déjà été utilisé dans le contexte du nettoyage111 et de l’activation112.
Dans le cas des verres autonettoyants, le plasma Ar a déjà été spécifiquement utilisé afin d’éliminer le carbone de contamination de films sans modifier la composition de l’oxyde de titane113.
Dans notre étude, le réacteur plasma utilisé est un RIE 80 de Plasma Technology. Il comprend deux électrodes en aluminium, une enceinte de traitement, un groupe de pompage (une pompe à palettes TRIVAC D40B et une pompe roots RUVAC WA251 de Leybold), un système d’injection de gaz et un générateur radiofréquence modèle HF300 de ENI Power. L’enceinte est entourée d’une cage de Faraday afin d’éviter la perturbation des autres dispositifs du laboratoire par des ondes électromagnétiques. Tous les traitements par cette méthode ont été réalisés au LSA (Laboratoire des Sciences Analytiques, UMR CNRS 5180, UCBL1 - Villeurbanne - France). L’appareillage n’étant pas le même que celui cité dans la
thèse113, plusieurs essais ont été menés afin de déterminer les paramètres adéquats sachant que
la pression et le débit du gaz sont respectivement fixés à 100 mTorr et 100 sccm (standard
cubic centimeter) dans les conditions d’utilisation habituelles de cet appareillage. Seuls la
nature du gaz (Ar ou O2), la puissance du générateur (50 à 120 watts) et le temps d’exposition
(30 secondes à 5 minutes) vont varier.
Toutes les conditions du prétraitement par plasma sur le verre autonettoyant Bioclean sont réunies dans le Tableau 9.
Echantillons Plasma 1 50 W - 30 sec 2 120 W - 1 min 3 Ar 100 mTorr 100 sccm 120 W - 5 min 4 O2 100 mTorr 100 sccm 120 W - 2 min
Après le prétraitement par plasma, les échantillons 2 à 4 sont utilisés pour réaliser le test de dégradation photocatalytique de l’acide stéarique afin de déterminer leur efficacité photocatalytique, puis les spectres d’absorption UV-visible des échantillons 1 et 2 sont
enregistrés afin de déterminer s’il y a modification de l’absorption de la couche de TiO2.