Brevet FR3056122A1 — publié le 20180323

PROCEDE DE FIXATION D'UN FILM DE PARTICULES SUR UNE PIECE EN MATERIAU POLYMERE, PAR EXPOSITION A DES VAPEURS DE SOLVANT DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention se rapporte à un procédé de fixation d'un film de particules sur une pièce en matériau polymère. Elle s'applique de préférence à la fixation de particules présentant des propriétés physicochimiques différentes de celles de la pièce polymère formant un substrat. Dans un tel cas, l'objectif est d'aboutir à une pièce composite bénéficiant de la combinaison des propriétés apportées par la matrice polymère, et des propriétés apportées par les particules rapportées. Celles-ci sont de préférence en matériau inorganique, ou bien des particules hybrides correspondant à un mélange de particules organiques et inorganiques. Les particules concernées sont des particules solides ordonnées, de préférence du type monocouche, dont la taille est préférentiellement comprise entre quelques nanomètres et plusieurs centaines de micromètres. Il s'agit donc ici de particules du type micrométrique ou nanométrique. L'invention s'applique à de nombreux domaines techniques, comme l'optique diffractive, l'électronique, la mécanique, la biologie, la médecine, etc. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE De l'art antérieur, il est connu de nombreuses techniques de fixation d'un film de particules sur une pièce en matériau polymère. Pour obtenir cette fixation, il est notamment connu d'appliquer une pression sur les particules, ou de faire fusionner la pièce en matériau polymère, ou même encore de déposer des couches minces par-dessus le film de particules. De telles techniques sont connues des documents WO 2001/092027, WO 93/14423, US 3 873 390, US 4 505, 967 ou encore US 4 569 857. 3056122 2 Cependant, ces techniques nécessitent des étapes parfois lourdes à mettre en oeuvre comme la fonctionnalisation chimique de la surface de la pièce, l'application d'une pression sur les particules, la fusion de la pièce formant substrat, le dépôt d'un matériau intermédiaire, ou encore le dépôt de couches supplémentaires pour 5 former un film de rétention des particules. De plus, certaines de ces étapes additionnelles requièrent la mise en oeuvre d'opérations critiques comme un traitement thermique, un calandrage, un laminage, ou une mise en pression, ces opérations étant susceptibles d'endommager la pièce polymère. De l'art antérieur, il existe également des développements portant sur 10 une technique visant à réaliser un film compact de particules à la surface d'un liquide porteur, puis à déposer ce film sur un substrat en défilement. Une telle technique est par exemple décrite dans les documents CA 2 695 449 et FR 3 005 586. Cependant, sans traitement préalable, le film de particules déposé sur le substrat est lié à ce dernier par des liaisons de faible énergie, du type liaisons hydrogènes, 15 de Van der Waals, ioniques, ou encore de physisorption. Ces liens de faible énergie présentent une certaine instabilité au frottement, susceptible d'entraîner le décollement des particules. Cet inconvénient s'observe également lors de la mise en oeuvre d'autres techniques de dépôt des particules sur le substrat, comme le dépôt par spray. Il existe donc un besoin d'optimisation de ces techniques de fixation de 20 films de particules sur des pièces en matériau polymère. EXPOSÉ DE L'INVENTION Pour répondre au moins partiellement à ce besoin, l'invention a pour objet un procédé de fixation d'un film de particules sur une pièce en matériau polymère, comprenant les étapes suivantes : 25 - dépôt d'un film de particules solides à la surface de la pièce en matériau polymère, de manière à obtenir un ensemble à traiter comprenant la pièce et les particules ; 3056122 3 - exposition de l'ensemble à des vapeurs de solvant de manière à générer une modification de la viscosité de la pièce, permettant aux particules de s'y enfoncer ; puis - arrêt de l'exposition aux vapeurs de solvant, de façon à ce que les 5 particules enfoncées adhèrent à la pièce en matériau polymère. L'invention met ainsi en oeuvre des vapeurs de solvant pour aboutir à la pénétration partielle ou totale des particules dans la pièce en matériau polymère, ainsi qu'à l'adhérence des particules du film à cette pièce. En effet, le traitement appliqué réside dans l'immersion de l'ensemble dans un milieu comprenant le solvant porté à 10 ébullition. De façon connue et brièvement rappelée ici, le processus physique mis en jeu lors de l'interaction entre un solvant à l'état gazeux, et une pièce en matériau polymère, réside dans l'absorption du solvant miscible au polymère, jusqu'à ce que l'équilibre des potentiels chimiques soit atteint. Plus précisément, le processus d'absorption de solvant résulte d'une séquence de deux étapes distinctes, à savoir la première consistant en la 15 dissolution du solvant dans la zone superficielle, et la seconde relative à la diffusion du solvant vers le coeur de l'échantillon, dans la direction du gradient de concentration en solvant dans la pièce. Les deux principales conséquences primaires de l'absorption de solvants sont la plastification et le gonflement de la pièce polymère. En régime transitoire de 20 sorption, un gradient de concentration de solvant s'établit dans l'épaisseur de la pièce. La couche superficielle tend à gonfler lors de l'absorption, mais son expansion dans le plan de la surface est bloquée par son adhésion au coeur non gonflé. Pendant l'exposition aux vapeurs de solvants, la couche superficielle de la pièce voit ses propriétés physicochimiques modifiées, avec notamment une viscosité 25 qui se réduit et qui permet la pénétration des particules. L'étendue de la pénétration, qui peut n'être que superficielle ou au contraire profonde jusqu'à obtenir une encapsulation totale, dépend en particulier du temps d'immersion de l'ensemble dans les vapeurs de solvant. Après l'arrêt de l'exposition aux vapeurs de solvant, la pièce se plastifie et les particules se fixent à la pièce dans leur position enfoncée. 3056122 4 Ainsi, l'invention met astucieusement en oeuvre un traitement par vapeurs de solvant pour obtenir la fixation des particules à la pièce, aboutissant ainsi à un procédé original, simple, et peu coûteux. De plus, les risques d'endommagent et de déformation de la pièce en matériau polymère sont largement réduits par rapport à ceux 5 rencontrés dans l'art antérieur. L'invention prévoit par ailleurs au moins l'une quelconque des caractéristiques optionnelles suivantes, prises isolément ou en combinaison. L'exposition aux vapeurs de solvant est réalisée de telle sorte qu'à la fin de cette étape : 10 - les particules subsistent à la surface de la pièce, en n'étant collées qu'à la manière d'un simple mouillage ou bien en étant partiellement enterrées / encapsulées ; ou - les particules sont entièrement intégrées dans la pièce, à la manière d'une encapsulation totale. 15 L'enfoncement des particules dans la pièce en matériau polymère est obtenu grâce à des phénomènes physiques tels que le mouillage ou par capillarité, même s'il pourrait être prévu des moyens additionnels favorisant la pénétration des particules dans la pièce, sans sortir du cadre de l'invention. Néanmoins, la pénétration s'effectue de préférence exclusivement par des effets de mouillage et par capillarité. 20 De préférence, préalablement à son dépôt, le film de particules est réalisé flottant à la surface d'un liquide porteur. Néanmoins d'autres technologies de dépôt sont envisageables, comme un dépôt des particules par spray. De préférence, l'étape de dépôt du film de particules est mise en oeuvre sur la pièce en défilement. D'autres techniques connues sont bien entendu applicables 25 pour le dépôt du film, sans sortir du cadre de l'invention. Par exemple, la pièce formant substrat peut être amenée depuis le dessous du film, en étant immergé dans le liquide porteur. Dans ce cas, la pièce formant substrat n'est pas en défilement. Enfin, les particules sont de préférence de tailles nanométrique ou micrométrique. 3056122 5 D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront dans la description détaillée non limitative ci-dessous. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS Cette description sera faite au regard des dessins annexés parmi 5 lesquels : - la figure 1 montre une vue schématique d'une pièce sur laquelle est fixé un film compact de particules ; - les figures la et lb sont des pièces analogues à celle montrée sur la figure 1, selon des alternatives de réalisation ; et 10 - les figures 2a à 5c illustrent différentes étapes d'un procédé selon un mode de réalisation préféré de l'invention, visant à fixer les particules sur la pièce de la figure 1, par exposition à des vapeurs de solvant. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PRÉFÉRÉS En référence à la figure 1, il est montré une pièce 1 en matériau 15 polymère, sur laquelle est fixé un film compact de particules 2 de taille micrométrique ou nanométrique. Cet ensemble est destiné à être obtenu par la mise en oeuvre d'un procédé de fixation selon un procédé de traitement spécifique à l'invention mettant en oeuvre des vapeurs de solvant, et qui sera décrit ci-après. Le volume de la pièce 1 peut être compris entre quelques cm3 et 20 plusieurs dm3. Elle présente une forme simple ou complexe. Il s'agit par exemple d'une pièce de forme complexe fabriquée par impression 3D, ou bien d'une forme plus simple du type 2D. Le matériau polymère utilisé pour la réalisation de la pièce 1 est préférentiellement l'un des suivants : ABS, polycarbonate, PMMA (Polyméthacrylate de 25 méthyle), polyphenylsulfone, polysulfone, polystyrène, polyphenylène ether, polyamide amorphe, acrylique, poly(2-ethyl-2-oxaZoline), COC de (l'anglais « Cyclic Olefin Copolymer »), polyéthylène, polypropylène, polyacétate de vinyle, et leurs mélanges. 3056122 6 Le film de particules ordonnées, de préférence du type monocouche, comporte des particules dont la taille peut être comprise entre quelques nanomètres et plusieurs centaines de micromètres. Ces particules 2, de préférence de forme sphérique, peuvent par exemple être des particules de silice. Néanmoins, d'autres formes sont 5 possibles, sans sortir du cadre de l'invention. En particulier, il pourrait s'agir de colloïdes non-sphériques se présentant sous des formes longilignes comme des fibres, des fils, des tubes ou des bâtonnets, ou encore sous des formes plus complexes comme des polygones, des tétrapodes, des cubes, des prismes, ou encore des formes plaquettaires ou en feuillets, etc. 10 Il s'agit de préférence de particules inorganiques, mais alternativement, le film pourrait intégrer des particules hybrides, à savoir un mélange de particules organiques et inorganiques. Sur la figure 1, les particules 2 subsistent à la surface de la pièce 1, en n'étant collées que superficiellement à la manière d'un simple mouillage. Sur la figure la, 15 les particules 2 restent toujours visibles à la surface de la pièce, mais elles sont davantage enfoncées en adoptant un état partiellement enterré / encapsulé. Une seconde alternative de réalisation est montrée sur la figure lb, sur laquelle les particules 2 sont entièrement intégrées dans la pièce, à la manière d'une encapsulation totale. Les particules 2 sont alors dites « enterrées ». Comme cela ressortira de la description ci- 20 dessous, la profondeur de pénétration des particules 2 dans la pièce 1 dépend du temps de traitement qui sera appliqué à l'ensemble, lors de la mise en oeuvre du procédé. Ce procédé de traitement débute par une étape de réalisation d'un film compact de particules solides flottant à la surface d'un liquide porteur. Cette étape est schématisée sur les figures 2a et 2b. Elle comporte tout d'abord la dispense des particules 25 2 à la surface d'un liquide porteur 4, de préférence de l'eau dé-ionisée sur laquelle les particules 2 peuvent flotter. Cette étape de dispense est schématisée sur la figure 2a. Ensuite, les particules flottantes 2 sont ordonnées de façon à obtenir le film compact désiré. Pour ce faire, une barrière mobile 6 peut être déplacée à la surface du liquide porteur, afin de forcer les particules 2 dans une direction opposée vers une barrière immergée ou non, formée par la pièce 1. Dans l'état montré sur la figure 2b, les particules 3056122 7 2 enserrées entre la barrière mobile 6 et la pièce 1 sont ordonnées. L'ordonnancement est tel que le film compact obtenu présente une structure dite « hexagonale compacte » pour les particules sphériques, structure dans laquelle chaque particule 2 est entourée et contactée par six autres particules 2 en contact entre elles. Il est alors indifféremment 5 parlé de film compact de particules, ou de film de particules ordonnées. Cette solution consiste donc à réaliser un travail de compression des particules via une technique dite « La ngm u i r-Blodgett ». D'autres techniques pourraient néanmoins être mises en oeuvre pour l'obtention du film compact de particules, comme celle utilisant une rampe inclinée sur 10 laquelle les particules sont dispensées avant de rejoindre par gravité une zone de transfert contenant le liquide porteur. Une telle technique est par exemple connue du document FR 3 005 586. Dans ce cas de figure, les particules s'ordonnent automatiquement dans la zone de transfert et sur la rampe, sans assistance, grâce notamment à leur énergie cinétique et aux forces capillaires mises à profit au moment de 15 l'impact sur le front des particules ordonnées. Encore d'autres solutions sont envisageables, comme la mise en mouvement à l'aide d'une pompe du liquide porteur sur un plan horizontal, dont la partie aval constitue la zone de transfert des particules. Une autre solution consiste à remplacer la pompe par une soufflerie permettant d'appliquer un flux d'air à la surface du liquide porteur, sur lequel flottent les particules à transférer. 20 Le procédé de traitement est poursuivi en procédant au dépôt du film de particules 2 à la surface de la pièce en matériau polymère 1, comme cela a été illustré sur la figure 3. Cette étape correspond à un transfert du film sur la pièce. Pour ce faire, la barrière mobile 6 poursuit son déplacement à la surface du liquide porteur 4, tandis que la pièce 1 sur laquelle se déposent les particules est également mise en mouvement. Il se 25 produit ainsi un tirage du film de particules, qui se dépose progressivement sur la pièce 1 en défilement. Il est noté que le transfert pourrait être effectué en continu sur une pièce 1 sous forme de substrat en défilement, l'ensemble pouvant ensuite être découpé pour l'obtention de plusieurs pièces séparées, chacune revêtue d'un film de particules. A cet égard, il est noté que les particules déposées pourraient ne pas être ordonnées, par 30 exemple suite à un dépôt par spray, par dispense directe, ou par toute autre technique. 3056122 8 L'étape suivante est spécifique à l'invention. Elle consiste à exposer l'ensemble préalablement obtenu à des vapeurs de solvant. Pour ce faire, il est utilisé tout dispositif capable de réaliser un tel traitement par vapeurs de solvant. Un exemple de dispositif de traitement 100 est néanmoins préféré, et va être décrit en référence à la 5 figure 4. Le dispositif 100 est essentiellement formé par une enceinte 5 délimitée vers le bas par une paroi de fond 6a, sur les côtés par une paroi latérale 6b, et vers le haut par une paroi supérieure 6c, ou paroi de tête. Les termes « haut » et « bas » sont considérés en rapport avec le dispositif adoptant une position normale de 10 fonctionnement, telle que représentée sur la figure 4, et dans laquelle les parois de fond 6a et supérieure 6c sont espacées l'une de l'autre selon une direction de la hauteur 8 du dispositif 100, assimilable à la direction verticale. L'enceinte 5 comprend une zone supérieure 5a dans laquelle est placée la pièce à traiter 1, qui est suspendue depuis la paroi supérieure 6c ou bien posée sur une 15 plaque ajourée, telle qu'un grillage. Sur la figure 4, il a été représenté un moyen 5 de suspension de la pièce 1 depuis la paroi supérieure 6c. L'enceinte 5 comprend également une zone inférieure 5b dans laquelle est logé un récipient 10 destiné à contenir le solvant liquide 30. Le solvant utilisé pour le traitement est préférentiellement un solvant volatil, de densité de vapeur supérieure à 20 celle de l'air, et de préférence choisi parmi les suivants : chloropropane, chloroforme, dichlorométhane, 1-bromopropane, perchloroéthylène, trichloréthylène, bromure de méthylène, 1-chloropropane, acétone, xylène, toluène, méthyléthylcétone, éthanol, Méthanol, n-pentane, cyclohexane, benzène, et leurs mélanges. Pour le choix de ce solvant, il est noté qu'il est en partie dicté par le matériau polymère de la pièce 1, étant 25 donné qu'il est recherché une bonne miscibilité des deux matériaux. A cet égard, il est rappelé la règle de miscibilité/solubilité pour un couple polymère-solvant, selon laquelle la miscibilité est d'autant plus élevée que l'écart entre les paramètres de solubilité est faible. Le récipient 10 du dispositif 100 repose préférentiellement sur la paroi 30 de fond 6a. Il est équipé d'un agitateur magnétique 12 commandé par un dispositif de 3056122 9 commande 15. L'agitateur magnétique 12 est solidaire d'un arbre de rotation 14 qui porte à son extrémité supérieure, dans la zone 5b, un ventilateur ou une hélice 16 permettant de mélanger les gaz au sein de l'enceinte 5. Le ventilateur 16 est agencé, selon la direction 8, entre la pièce 1 et le récipient 10. Il permet en fonctionnement 5 d'homogénéiser la concentration en vapeurs de solvant dans toute l'enceinte 5, et en particulier autour de la pièce 1. Le dispositif 100 est également équipé d'un dispositif de régulation de pression 18 dans l'enceinte, qui permet d'agir directement sur la vitesse de diffusion du solvant au sein de la pièce polymère. En partie supérieure de l'enceinte, le dispositif 100 10 comporte aussi un système d'évent commandable 20, capable de ventiler l'enceinte, et surtout d'assurer la mise en air de l'enceinte par extraction des vapeurs de solvant lorsque le traitement est terminé. Enfin, l'enceinte est équipée d'un système de régulation de la température de toutes les parois 6a, 6b, 6c. Pour ce faire, ce système 22 comporte un 15 fluide caloporteur 24 qui est mis en circulation dans toutes les parois 6a, 6b, 6c, qui présentent chacune un espace intérieur de circulation de fluide 26. Il s'agit par exemple d'une réalisation dite à « double paroi », délimitant entre elles l'espace intérieur emprunté par le fluide 24. Cet agencement permet d'obtenir une température sensiblement 20 uniforme au sein de l'enceinte 5, et donc autour de la pièce 1. Or tout comme la concentration en vapeurs de solvant, la température constitue un paramètre de premier ordre dans le processus de pénétration et de dispersion des molécules du solvant dans la matrice polymère de la pièce. L'homogénéité de température et de concentration en vapeurs de solvant conduit ainsi avantageusement à un traitement plus uniforme et 25 homogène de la pièce 1 dans le dispositif 100. Dans ce dispositif, la zone inférieure 5b et la zone supérieure 5a de l'enceinte sont séparées par une cloison 40 équipée d'une trappe coulissante 42 permettant, en configuration fermée, de confiner les vapeurs de solvant dans la zone inférieure 5b et, en configuration ouverte, de permettre aux vapeurs de pénétrer dans la 30 zone supérieure 5a. 3056122 10 L'étape d'exposition de la pièce 1 aux vapeurs de solvant est schématisée sur les figures 5a à 5c. Comme illustré sur la figure 5a, il est tout d'abord procédé à un contrôle du système de régulation de température 22, de manière à amener la température des 5 deux zones 5a, 5b de l'enceinte à une température de traitement Tt supérieure ou égale à la température d'ébullition du solvant. Cette montée en température s'effectue en faisant circuler le fluide 24 dans les parois 6a, 6b, 6c, alors que l'objet 1 a déjà été introduit dans la zone supérieure 5a de l'enceinte et que le solvant liquide 30 a déjà été introduit dans son récipient 10 de la zone inférieure 5b. Durant cette montée en 10 température, la trappe 42 est fermée, comme visible sur la figure 5a. Les vapeurs de solvant 32 restent ainsi confinées dans la zone inférieure 5b, sans être au contact de la pièce 1. Ensuite, une fois la montée en température terminée et la température maintenue à la valeur Tt, il est procédé à l'étape d'exposition de la pièce aux vapeurs de 15 solvant 32 en ouvrant la trappe 42, comme schématisé sur la figure 5b. Durant cette exposition à la température cible de valeur Tt, le ventilateur 16 est mis en mouvement pour l'homogénéisation des gaz dans l'enceinte 4, de même que l'agitateur magnétique 12. Cette exposition de la pièce 1 aux vapeurs de solvant 32 assure le 20 traitement souhaité, avec une modification physicochimique du polymère selon les principes décrits précédemment, et notamment une baisse de la viscosité qui permet aux particules 2 de s'enfoncer dans la pièce. Dès le début de cette exposition, la pièce 1 présente une température sensiblement identique à celle des vapeurs de solvant 32, ce qui favorise le mélange des vapeurs en surface de la pièce, et améliore la migration du 25 pénétrant dans la matrice polymère. Il n'y a donc pas de formation de condensat sur la pièce, ce qui participe à réduire le risque de craquelure sur celle-ci. Ensuite, le traitement est arrêté puis une mise à l'air de l'enceinte 5 est réalisée, via le système d'évent 20. Parallèlement, comme schématisé sur la figure 5c, il est procédé à une descente progressive en température de quelques dizaines de minutes 3056122 11 à plusieurs heures, suivant le volume de la pièce et de l'enceinte afin de tenir compte de l'inertie thermique. En se refroidissant, la pièce 1 se plastifie et les particules 2 se figent dans leur position plus ou moins enfoncée dans cette pièce. 5 Selon un exemple de mise en oeuvre, les paramètres de traitement d'une pièce 1 sont les suivants : - Solvant : Chloroforme (température d'ébullition -62°C) - Volume de l'enceinte : 45 litres 10 - Consigne de Température de traitement : 70°C - Pression interne : proche de la pression atmosphérique - Vitesse de rotation du ventilateur : 110 tr/min - Echantillons de test : particules de silice de diamètre 1 ou 0,5 ou 0,28 um, sur substrat polycarbonate ou PMMA, de surface 3x3 cm2 à 20x20cm2 15 - Volume de solvant liquide introduit : 400 à 500 ml - Durée de traitement : 3 à 11 min De façon générale, il est indiqué la valeur cible de température de traitement Tt est préférentiellement la température d'ébullition du solvant, même si elle peut être de quelques dizaines de degrés supérieure, sans sortir du cadre de l'invention. 20 La vitesse de rotation des éléments tournants 12, 16 est de préférence comprise entre 30 et 120 tr/min. La durée de traitement est de préférence comprise entre 2 et 15 minutes, tandis que la durée de refroidissement jusqu'à la température ambiante est comprise entre 10 min et 1h. Un autre exemple de traitement peut être réalisé en appliquant 25 localement au niveau du récipient 10 une température de consigne supérieure à la température d'ébullition, par exemple 70°C. Ce mode est par exemple obtenu avec un système de chauffage non plus intégré à la paroi, mais disposé de façon localisée sous le récipient 10. La température ambiante qui en découle autour de la pièce 1 et des particules 2 est alors de l'ordre de 30°C. Elle s'avère suffisante pour traiter la pièce 1, tout 30 en conservant un temps d'exposition raisonnable, de préférence compris entre 7 et 11 3056122 12 min en fonction de la profondeur de pénétration désirée. A cet égard, il est noté que plus le temps d'exposition est important, plus la pénétration des particules dans la pièce est profonde. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par 5 l'homme du métier à l'invention qui vient d'être décrite, uniquement à titre d'exemples non limitatifs. 10 REVENDICATIONS1. Procédé de fixation d'un film de particules (2) sur une pièce (1) en matériau polymère, comprenant les étapes suivantes : - dépôt d'un film de particules solides (2) à la surface de la pièce en matériau polymère (1), de manière à obtenir un ensemble à traiter comprenant la pièce et les particules ; - exposition de l'ensemble à des vapeurs de solvant (32) de manière à générer une modification de la viscosité de la pièce (1), permettant aux particules (2) de s'y enfoncer ; puis - arrêt de l'exposition aux vapeurs de solvant (32), de façon à ce que les particules enfoncées (2) adhèrent à la pièce en matériau polymère (1). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'exposition aux vapeurs de solvant est réalisée de telle sorte qu'à la fin de cette étape : - les particules (2) subsistent à la surface de la pièce (1) ; ou - les particules (2) sont entièrement intégrées dans la pièce (1). 3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que préalablement à son dépôt, le film de particules solides (2) est réalisé flottant à la surface d'un liquide porteur (4). 4. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'étape de dépôt du film de particules (2) est mise en oeuvre sur la pièce (1) en 25 défilement. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les particules (2) sont de tailles nanométrique ou micrométrique. 30