Réacteur plasma utilisé pour le traitement de surface des films de polymères

I.3. Choix des conditions de traitement de surface par plasma hors équilibre

II. Caractérisations physico-chimiques de la surface du PE traité par plasma NH3

II.1. Caractérisation de l’énergie de surface par la méthode de l’angle de contact II.2. Modifications topographiques de la surface du film de PE

II.3. Mise en évidence des modifications chimiques de la surface du film de PE par spectroscopie de photoélectrons X (XPS)

II.4. Quantification des fonctions amines greffées à la surface des films de PE traités par plasma NH3 hors équilibre

II.4.1. Principe de la dérivation chimique pour l’identification des fonctions amines greffées II.4.2. Détermination quantitative des amines (primaires, secondaires et tertiaires) greffées à la surface de films de PE

II.4.2.1. Dosage des amines primaires

II.4.2.1.1. Méthode de dosage à base du réactif sulfo-LC-SPDP

II.4.2.1.2. Méthode de dosage à partir du réactif NBZ (nitrobenzaldéhyde)

II.4.2.1.3. Méthode de dosage à l’aide des réactifs 2-iminothiolane (ITL) et acide bicinchoninic (BCA)

II.4.2.2. Dosage des amines primaires et secondaires

II.4.2.3. Dosage des trois classes d’amines (primaires, secondaires, tertiaires) sur les surfaces de PE traitées par plasma NH3 hors équilibre

II.4.3. Comparaison entre les différentes méthodes choisies

III. Vieillissement du matériau greffé par des fonctions aminées

III.1. Etude du vieillissement de la surface de PE traité par plasma NH3 par la méthode de l'angle de contact

III.2. Etude par dérivation chimique du vieillissement des fonctions amines greffées à la surface de films de PE traités par plasma NH3

III.3. Interprétation des études de vieillissement de la surface traité par plasma NH3

Conclusion Références

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Introduction

La technologie plasma basse pression est utilisée pour la modification de polymères permettant un meilleur contrôle des propriétés physico-chimiques comme la mouillabilité et l’adhésion. De plus, le polymère traité présente de nouvelles propriétés de surface adaptées à l’immobilisation de biomolécules.

L’objectif de ce chapitre est de qualifier les propriétés physico-chimiques de la surface du polyéthylène après greffage de fonctions amines à la surface à l’aide d’un plasma d’ammoniac. A cet effet, nous ferons appel à différentes techniques d’analyse de surface en vue de préciser les modifications topographiques et chimiques de la surface.

Dans un premier temps, après la description du réacteur plasma basse pression utilisée pour le traitement des films de PE, nous étudierons l’évolution de l’énergie de surface à l’aide de la technique de mesure de la mouillabilité des surfaces par angle de contact. Dans un deuxième temps, les modifications topographies et chimiques de la surface du PE seront analysées par microscopie électronique à balayage (MEB), microscopie à force atomique (AFM) et spectroscopie de photoélectron X (XPS). Enfin, cette étude sera complétée par différentes méthodes de dérivation chimique dans le but de quantifier les fonctions amines greffées en surface et d’identifier en particulier les amines primaires. Cette mesure est essentielle pour valider les différentes étapes de fixation conduisant à l’immobilisation de l’enzyme.

Ainsi, la corrélation de l’ensemble des résultats obtenus permettra d’établir une meilleure compréhension des modifications de surface associées au traitement plasma NH3.

CHAPITRE II: Modification de surface des films de polyéthylène (PE) par procédé plasma basse pression NH3

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I. Fonctionnalisation de polymère par traitement plasma RF NH3

basse pression

I.1. Réacteur plasma utilisé pour le traitement de surface des films de polymères

Le traitement de surface des films de polymère a été réalisé dans un réacteur plasma basse pression hors équilibre disposant, selon une configuration asymétrique, de deux électrodes de type couteau-cylindre. L’électrode reliée à la haute tension radio-fréquence (RF) est en acier inoxydable, elle se présente comme un couteau creux de longueur 20 cm ayant une ouverture de fente de 0,5 mm pour permettre le passage du flux de gaz plasmagène. La contre-électrode reliée à la masse, est un cylindre de diamètre 7 cm et de longueur 22 cm. Le film de polyéthylène (22 cm par 22 cm) est enroulé autour du cylindre. La vitesse de rotation du cylindre est fixée à 1 tour par seconde ce qui correspond à une vitesse linéaire de 22 cm par seconde. La largueur du rideau plasma traitant le polymère (PE) est estimée à 0,5 cm (Figure II.1.). La face du PE traité peut être divisée en 22/0,5, soit 44 faisceaux de décharge, chaque faisceau étant traité pendant 1/44 seconde à chaque tour [1]. Ainsi, pour une rotation de 1 tour / s, le temps de traitement est de 0,023 s par seconde écoulée.

22 cm 7 cm 8 mm 0,5 cm électrode creuse faisceau

de

ayant traité le polymère à un instant t

Figure II.1. Détail de la configuration des électrodes type couteau-cylindre du réacteur plasma RF

CHAPITRE II: Modification de surface des films de polyéthylène (PE) par procédé plasma basse pression NH3

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Figure II.2. Réacteur plasma RF basse pression utilisé pour le traitement de films de polymère:

a) schéma du réacteur et b) photo du réacteur

Les gaz plasmagènes sont injectés à travers l’électrode creuse et la décharge s’établit dans l’espace inter-électrodes, fixé à 8 mm, à l’aide d’une source d’excitation d’une puissance maximale de 800 watts et d’un générateur Radio-Fréquence (RF) délivrant une fréquence de 70 kHz. Pour éviter le risque de passage au régime d’arc, l’électrode haute tension est gainée de polyéthylène haute densité.

Afin d’éliminer l’oxygène atmosphérique, l’installation est placée sous un vide de 10-2 Pa pendant une heure puis la circulation du mélange gazeux choisi est établie à l’aide d’un système de pompage primaire et secondaire (pompe turbo-moléculaire). Différents gaz peuvent être utilisés [2,3,4]

; cependant notre attention se portera plus particulièrement sur l’utilisation de l’ammoniac [5]. Le groupe du pompage primaire et secondaire assure l’élimination de l’atmosphère N2-O2 jusqu’à 10-2 tandis que les conditions de traitement à 102 Pa en atmosphère NH3 sont assurées par une pompe chimique utilisant une huile fluorée insensible à la dégradation de ses propriétés par le gaz NH3 (Figure II.2.). Pour éviter la corrosion de la pompe turbo-moléculaire par NH3, une vanne

source électrique (70 KHz) électrode creuse haute tension RF électrode de masse (cylindre) décharge plasma débitmètre bouteille de gaz NH3 groupe de pompage

(pompe primaire, pompe secondaire et pompe chimique)

a)

CHAPITRE II: Modification de surface des films de polyéthylène (PE) par procédé plasma basse pression NH3

48 tiroir permet d’isoler cette pompe et de la protéger durant le traitement. Le système de pompage pendant le traitement est composé d’une pompe primaire et d’une pompe chimique.