Spectroscopie Raman de fibres électrofilées : développement de méthodes et application aux fibres individuelles

L’électrofilage est une technique de mise en œuvre efficace et versatile qui permet la production de fibres continues d’un diamètre typique de quelques centaines de nanomètres à partir de l’application d’un haut voltage sur une solution concentrée de polymères enchevêtrés. L’évaporation extrêmement rapide du solvant et les forces d’élongation impliquées dans la formation de ces fibres leur confèrent des propriétés hors du commun et très intéressantes pour plusieurs types d’applications, mais dont on commence seulement à effleurer la surface. À cause de leur petite taille, ces matériaux ont longtemps été étudiés uniquement sous forme d’amas de milliers de fibres avec les techniques conventionnelles telles que la spectroscopie infrarouge ou la diffraction des rayons X. Nos connaissances de leur comportement proviennent donc toujours de la convolution des propriétés de l’amas de fibres et des caractéristiques spécifiques de chacune des fibres qui le compose. Les études récentes à l’échelle de la fibre individuelle ont mis en lumière des comportements inhabituels, particulièrement l’augmentation exponentielle du module avec la réduction du diamètre. L’orientation et, de manière plus générale, la structure moléculaire des fibres sont susceptibles d’être à l'origine de ces propriétés, mais d’une manière encore incomprise. L’établissement de relations structure/propriétés claires et l’identification des paramètres qui les influencent représentent des défis d’importance capitale en vue de tirer profit des caractéristiques très particulières des fibres électrofilées. Pour ce faire, il est nécessaire de développer des méthodes plus accessibles et permettant des analyses structurales rapides et approfondies sur une grande quantité de fibres individuelles présentant une large gamme de diamètre.  Dans cette thèse, la spectroscopie Raman confocale est utilisée pour l’étude des caractéristiques structurales, telles que l’orientation moléculaire, la cristallinité et le désenchevêtrement, de fibres électrofilées individuelles. En premier lieu, une nouvelle méthodologie de quantification de l’orientation moléculaire par spectroscopie Raman est développée théoriquement dans le but de réduire la complexité expérimentale de la mesure, d’étendre la gamme de matériaux pour lesquels ces analyses sont possibles et d’éliminer les risques d’erreurs par rapport à la méthode conventionnelle. La validité et la portée de cette nouvelle méthode, appelée MPD, est ensuite démontrée expérimentalement. Par la suite, une méthodologie efficace permettant l’étude de caractéristiques structurales à l’échelle de la fibre individuelle par spectroscopie Raman est présentée en utilisant le poly(éthylène téréphtalate) comme système modèle. Les limites de la technique sont exposées et des stratégies expérimentales pour les contourner sont mises de l’avant. Les résultats révèlent une grande variabilité de l'orientation et de la conformation d'une fibre à l'autre, alors que le taux de cristallinité demeure systématiquement faible, démontrant l'importance et la pertinence des études statistiques de fibres individuelles. La présence de chaînes montrant un degré d’enchevêtrement plus faible dans les fibres électrofilées que dans la masse est ensuite démontrée expérimentalement pour la première fois par spectroscopie infrarouge sur des amas de fibres de polystyrène. Les conditions d'électrofilage favorisant ce phénomène structural, qui est soupçonné d’influencer grandement les propriétés des fibres, sont identifiées. Finalement, l’ensemble des méthodologies développées sont appliquées sur des fibres individuelles de polystyrène pour l’étude approfondie de l’orientation et du désenchevêtrement sur une large gamme de diamètres et pour une grande quantité de fibres. Cette dernière étude permet l’établissement de la première relation structure/propriétés de ces matériaux, à l’échelle individuelle, en montrant clairement le lien entre l’orientation moléculaire, le désenchevêtrement et le module d'élasticité des fibres. Electrospinning is an efficient and versatile technique to produce continuous fibers of typical diameter of a few hundred nanometers from the application of a high voltage on a concentrated and entangled polymer solution. The rapid solvent evaporation and the significant elongational forces involved in the fiber formation process give rise to unusual properties that are interesting for various types of applications, but that are yet to be fully explored. Due to their small size, these materials have been, for a long time, studied into bundles composed of thousands of fibers using conventional techniques such as infrared spectroscopy and X-ray diffraction. Our current understanding of their behavior thus relies on a convolution of the properties of the mat and the specific characteristics of each fiber composing it. Recent studies at the individual fiber level have revealed unusual properties, particularly an exponential increase of the modulus with the diameter reduction. The orientation and the molecular structure within the fibers are suspected to be at the origin of these properties, but in a way that is still far from being understood. Establishing clear structure/properties relationships and identifying the parameters that influence them represent significant challenges. However, they are of tremendous importance to fully take advantage of the specific characteristics of electrospun fibers. A key step toward this goal is to develop methodologies that enable fast and in-depth structural analysis on large quantities of individual fibers with a large diameter range.  In this thesis, confocal Raman spectroscopy is used to probe structural characteristics of individual fibers such as their molecular orientation, crystallinity and disentanglement. A new methodology for orientation quantification is first demonstrated theoretically with the objectives of reducing the experimental complexity of the Raman measurements, of extending the variety of materials that can be analysed, and of eliminating recurrent errors brought by the use of the conventional method. The experimental validity and applicability of this new method, referred to as MDP, is then demonstrated. Following this, an efficient protocol enabling the structural study of individual electrospun fibers by confocal Raman spectroscopy is presented, using poly(ethylene therephthalate) as a model system. The limitations of the technique are exposed and experimental strategies to circumvent them are highlighted. Results reveal the large variability of the orientation and of chain conformation from fiber to fiber, showing the importance and the relevance of statistical studies of individual fibers.  Following this, the presence of chains showing a level of entanglement lower in electrospun fibers than in the bulk is demonstrated experimentally for the first time using infrared spectroscopy on bundles of polystyrene fibers. The principal electrospinning conditions promoting this structural phenomenon, which is suspected to influence greatly the properties of the fibers, are identified. Finally, the various methodologies developed in the thesis are combined for an in-depth study of orientation and disentanglement on large quantities of individual polystyrene fibers covering a large diameter range. This last study enables establishing the first structure/properties relationships for these materials, at the individual fiber scale, by clearly exposing the link between orientation, disentanglement and the elastic modulus of the fibers.

Keyphrases: Électrofilage, Fibres, Spectroscopie Raman, Orientation moléculaire, Désenchevêtrement, Relations structure/propriétés, Electrospinning, Fibers, Raman spectroscopy, Molecular orientation, Disentanglement, Structure/properties relationships