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Les polymères et le polyéthylène téréphtalates (PET)
Historique
Dès les années 1860 les polymères sont entrés dans l’ère de la production par synthèse, grâce aux travaux de Parkes (1861), les frères Hyatt (1870) et Baekland (1907). Par contre, il a fallu attendre les travaux de Staudinger au milieu du siècle dernier pour que l’industrie de la transformation des matières plastiques et des matériaux composites naisse. Cela a conduit à la production du polyéthylène téréphtalate (PET) dans les années 50 avec Dupont de Nemours. Le PET est élaboré par polycondensation du diméthyle téréphtalate et d’éthylène glycol (Figure 1. 1). Ses caractéristiques se résument dans la transparence, brillance, et sa résistance aux chocs, à la pression, aux gaz et à la traction. Il a toutefois quelques défauts comme une température de transition vitreuse faible (70°C) ce qui ne permet pas son utilisation aux trés hautes températures, sauf s’il est mélangé avec du polyéthylène naphtalate (PEN). La température de fusion du PET est de 245°C, sa masse volumique varie entre 1,34 à 1,39 g/cm3 . Le polyéthylène téréphtalate est le seul polymère parmi les polyesters thermoplastiques saturés qui est utilisé pour la fabrication de films et feuilles .
Structure amorphe et cristalline du PET
La structure des polyéthylènes téréphtalates peut être amorphe ou partiellement cristalline (Figure 1. 2) [2] . Les propriétés du PET sont fortement influencées par le taux de cristallinité. En effet, l’état cristallisé du PET améliore notablement certaines de ses propriétés mécaniques (rigidité, résistance en traction et au déchirement).
Ladouce et coll. [4] ont montré que l’augmentation du taux de cristallinité conduit à l’augmentation des caractéristiques mécaniques (module élastique) suivant une courbe sigmoïdale. Ils ont constaté que la perméabilité ainsi que la diffusion des gaz dans le polymère sont également affectées par son taux de cristallinité. Sammon et coll. [5] ont constaté que la variation du taux de cristallinité du PET de 5 à 25 % engendre une diminution d’un facteur de 10 du coefficient de diffusion de l’eau dans le polymère. Par ailleurs, les travaux de Allen et coll. [6] montrent que les cristallites dans le PET agissent comme des barrières au gaz et à l’humidité. Le PET est un matériau diélectrique caractérisé dans les très hautes fréquences (au dessus du mégahertz (MHz)) par les pertes diélectriques dues à sa structure. Dans le cas du PET amorphe les spectres de relaxation diélectrique sont caractérisés par un pic de relaxation α qui est associé au phénomène de transition vitreuse. D’autre part, le pic α est relié aux mouvements microbrowniens de toute la chaîne. Par contre, le phénomène de relaxation dans le PET semi cristallin est dû simultanément aux deux phases cristalline et amorphe qui le constituent. Là aussi, les pertes diélectriques donnent un pic majeur. Enfin, ce polymère peut exister sous différentes formes : le polyéthylène basse densité de cristallinité atteignant 50 à 60 % et le polyéthylène haute densité de cristallinité atteignant 75 % [2] .
Applications du PET
Les films de PET ont une large application. On les retrouve dans les emballages, les domaines électriques et électroniques, capteurs, etc. La motivation à l’utilisation de ce polymère a été de remplacer des matériaux classiques tels que l’acier (dans le secteur automobile notamment), le bois et le carton (palettes, emballage), le verre (bouteilles) pour diverses raisons. Parmi les facteurs physiques et chimiques recherchés dans le PET, citons sa résistance à la chaleur, sa tenue à la pression, sa stabilité chimique, sa transparence, sa brillance et surtout son faible poids. Ces paramètres ont été un facteur déterminant pour utiliser le PET dans la réalisation des puces microfluidiques. De plus, les propriétés isolantes des matières plastiques sont largement utilisées en électrotechnique pour des applications telles que gaines de câbles, condensateurs, enrobage de composants et supports divers [7] . Ces matériaux plastiques ont en général une résistivité supérieure à 10⁹ Ω.cm. En raison des bonnes propriétés thermomécaniques, optiques et électriques du PET, on le retrouve dans de nombreuses applications, telles que [1] :
➤ L’audiovisuel où les vitesses d’enregistrement et de la reproduction précise des images et des sons nécessitent un matériau suffisamment résistant, lisse et exempt de défauts comme le PET.
➤ L’emballage où on trouve le PET sous forme de feuillards, supports de rubans adhésifs, films, boîtes thermoformées pour diverses industries (alimentaire ou non, médicale, pharmaceutique), étiquettes transparentes, métallisées, imprimées ou contrecollées.
➤ L’électrique où le PET est employé dans les moteurs pour les bobinages, dans les câbles comme barrière électrique et thermique, dans les condensateurs, circuits imprimés où le PET est utilisé comme support de base pour les revêtements chimiques photosensibles utilisés dans leur fabrication, etc.
Propriétés du PET
L’utilisation du PET dans différents domaines est due à ses excellentes propriétés mécanique [8] , chimique, électrique [9] et à sa perméabilité [10] . La connaissance de ses différentes propriétés est importante pour mieux anticiper d’éventuels problèmes d’utilisation. La résistance mécanique du PET n’est pas négligeable. À une température ambiante les films et les feuilles en PET sont caractérisés par une rigidité et une résistance à la rupture élevées, acceptables à des températures allant jusqu’à 150°C. De plus, la perméabilité des films de PET avec l’eau est en dessous de 0.8 % durant une période de 24 h (ASTM D 570). La perméabilité des films de PET à la vapeur d’eau est inversement proportionnelle à son l’épaisseur. Au contact avec les produits chimiques, les films et feuilles en PET ont une bonne résistance à divers produits chimiques, tels que les solvants (alcool benzylique, acétate d’éthyle, alcool éthylique, toluène), les bases (hydroxyde d’ammonium à 2 %, hydroxyde de sodium à 2 %), les acides (acide chlorhydrique à 10 %, acide nitrique à 10 %, acide sulfurique à 30 %) et divers produits (les huiles détergentes, di-méthylformamide et le peroxyde d’hydrogène à 28 %). La résistance des films en PET au contact des acides est attribuée à la phase cristalline dans le PET [11], [12] . Du point de vue électrique, les films et les feuilles de PET sont des isolants très efficaces. La permittivité relative du PET diminue avec la fréquence et sa rigidité diélectrique diminue en fonction de son épaisseur. Aussi, ses propriétés électriques, en particulier, la résistivité superficielle diminuent avec l’augmentation de l’humidité relative de l’air [13] . Les propriétés électriques du PET dépendent de la structure chimique des macromolécules qui le constituent et aussi de différents facteurs et en particulier des adjuvants au sein de sa matrice. Ainsi, l’absorption d’eau, la nature de la charge minérale ou organique jouent un rôle déterminant sur les propriétés électriques du matériau [2] . Avec les polymères couramment utilisés, la conductivité en courant continu est souvent faible et les dissipations d’énergie en courant alternatif proviennent principalement de la relaxation des différentes polarisations .
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre 1 : Analyses Bibliographiques
1.1. Les polymères et le polyéthylène téréphtalates (PET)
1.1.1. Historique
1.1.2. Structure amorphe et cristalline du PET
1.1.3. Applications du PET
1.1.4. Propriétés du PET
1.2. Les puces microfluidiques
1.2.1. Réalisation des puces microfluidiques
1.2.1.1. La lithographie et diverses techniques
1.2.1.2. Gravure
1.2.1.3. Photoablation par laser Excimer
1.2.2. Différents types de transduction dans les puces microfluidiques
1.2.2.1. Transduction optique
1.2.2.2. Transduction piézoélectrique
1.2.2.3. Transduction électrique et électrochimique
1.2.2.3.1. Potentiométrique
1.2.2.3.2. Ampérométrie et voltamétrie
1.2.2.3.3. Impédancemétrie
1.3. Puces microfluidiques en mode non contact
1.4. Conclusions
1.5. Références bibliographiques
Chapitre 2 : Techniques expérimentales et modélisation par éléments finis
2.1. Spectroscopie d’impédance électrochimique
2.2. Impédance d’une surface rugueuse
2.3. Microscopie électronique à balayage (MEB)
2.4. Modélisation par les éléments finis « ComsolMultiphysics »
2.4.1. Construction du modèle
2.4.1.1. Champ électrique
2.4.1.1.1. Mise en équations
2.4.1.1.2. Conditions dans les domaines et conditions initiales et aux limites
2.4.1.2. Transfert de matière et adsorption
2.4.1.2.1. Mise en équation
2.4.1.2.2. Conditions dans les domaines et conditions initiales et aux limites
2.4.1.3. Maillage de la géométrie
2.4.2. Résolution des équations du champ électrique et du transfert de matière
2.4.2.1. Choix du solveur
2.4.2.2. Pré-conditionnement
2.5. Conclusion
2.6. Référence bibliographiques
Chapitre 3: Étude du comportement diélectrique du PET
3.1. Introduction
3.2. Impédance diélectrique du PET entre deux électrodes
3.2.1. Conditions expérimentales
3.2.2. Résultats expérimentaux
3.3. Modélisation par les circuits électriques équivalents
3.3.1. Modèle RPET//CPET
3.3.2. Modèle de la résistance de contact Circuit Rcont+(RPET//CPET)
3.3.3. Modèle de la distribution de la résistivité
3.3.4. Modèle CPE
3.4. Modélisation par éléments finis de la réponse diélectrique du PET
3.4.1. Construction du modèle
3.4.1.1. Conditions dans les domaines
3.4.1.2. Conditions initiales et aux limites
3.4.1.3. Maillage de la géométrie
3.4.2. Résultats de la modélisation par éléments finis
3.4.2.1. Conductivité électrique indépendante de la fréquence
3.4.2.1.1. Dans la structure du PET
3.4.2.1.2. À l’interface PET/or
3.4.2.2. Conductivité électrique dans le PET dépendante de la fréquence
3.4.2.2.1. Dans la structure du PET
3.4.2.2.2. À l’interface PET/or
3.5. Conclusions
3.6. Références bibliographiques
Chapitre 4: Étude de la puce microfluidique avec des microélectrodes en non contact
4.1 Introduction
4.2. Réalisation de la puce microfluidique en mode non contact
4.3. Effet de l’amplitude
4.4. Impédance dans la puce à microcanal vide Z2
4.4.1. Résultats expérimentaux
4.4.2. Modélisation par circuits électrique équivalents
4.4.3. Effet de la distance inter microélectrodes
4.4.4. Modélisation par les éléments finis
4.5. Impédance dans la puce à microcanal rempli
4.5.1 Correction de l’impédance globale
4.5.2. Modélisation de l’impédance à travers le microcanal par circuits électriques
équivalents
4.5.3. Analyse par microscopie électronique à balayage (MEB)
4.5.4. Effet de l’exposant du CPE à l’interface
4.5.5. Validité des paramètres du modèle
4.5.6. Détermination de la constante de cellule de la puce
4.5.7. Modélisation de la puce à microcanal rempli par les éléments finis
4.6. Conclusion
Conclusion générale
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