Électrofilage sur substrats isolants par contrôle de la mouillabilité de surface et de l'humidité locale

Résumé

Nous présentons une technique simple qui permet l'électrofilage de polymères sur des substrats flexibles non conducteurs en exploitant la mouillabilité de surface et l'humidité contrôlée. En augmentant l'humidité relative locale autour d'une surface polymère hydrophile traitée au plasma, des monocouches d'eau s'adsorbent et servent d'électrode de masse transitoire. Les fibres électrofilées se déposent sélectivement sur les régions hydrophiles, permettant un patronnage précis sans fabrication complexe d'électrodes. L'électrofilage en champ proche démontre en outre l'écriture directe de nanofibres polymères sur des surfaces hydrophiles, ouvrant la voie aux dispositifs électroniques portables et flexibles.

Contexte

L'électrofilage — une méthode économique pour produire des nanofibres continues dans la gamme sub-micrométrique — repose sur un champ électrique généré entre une source haute tension, une filière et un collecteur. Traditionnellement, le collecteur est un substrat conducteur (ex. métal) qui sert d'électrode de masse, assurant un champ électrique stable. Lorsqu'un substrat non conducteur est requis, des couches conductrices externes doivent être ajoutées pour fournir la mise à la masse [4].

De nombreuses applications industrielles exigent un dépôt sur des polymères isolants flexibles [6]. Les travaux antérieurs n'ont réussi que pour des couches isolantes très minces (≤100 µm) ou en employant des techniques électrohydrodynamiques complexes à modulation d'impulsions AC nécessitant un équipement spécialisé [7]. Bien que l'électrofilage sur électrolytes liquides ait été exploré [9–12], une approche simple et évolutive pour des substrats isolants arbitraires reste elusive.

Nous introduisons une méthode qui exploite la conductivité des couches d'eau adsorbées sur des surfaces hydrophiles dans un environnement à haute humidité. Une fine monocouche d'eau peut conduire l'électricité à une humidité relative (HR) supérieure à 50 % [13]. En contrôlant l'humidité locale autour d'un polymère traité au plasma, l'eau adsorbée agit comme électrode de masse, permettant l'électrofilage indépendamment de l'épaisseur du substrat et compatible avec les configurations conventionnelles.

Méthodes

Préparation d'un substrat polymère hydrophile

Une feuille d'acrylique de 500 µm avec une surface naturellement hydrophobe a été soumise à 30 s de plasma d'oxygène (CUTE, Femto Science, Corée). Ce traitement a introduit des groupes silanol (SiOH) et réduit l'angle de contact de l'eau de 81,3° à 36,7°, confirmant l'hydrophilisation réussie [14]. L'hydrophilisation sélective a été réalisée en masquant des régions avant l'exposition au plasma.

Configuration d'électrofilage

L'électrofilage a été réalisé à température ambiante (≈22 °C) et HR modérée (40–50 %). Une solution de polyuréthane (PU) à 10 % p/p (Pellethane 2363‑80AE ; Lubrizol, USA) dissoute dans un mélange THF/DMF 80/20 (v/v) a servi de fluide de filage. Pour des études comparatives, des fibres PU ont été déposées sur un collecteur acrylique combinant régions hydrophiles et hydrophobes (Fig. 1a).

Schéma du processus d'électrofilage sur un substrat polymère avec contrôle d'humidité locale (a) et gros plan de la région frontalière (b).

Contrôle d'humidité locale

Pour augmenter l'humidité adjacente au collecteur, un papier humide a été placé entre le substrat acrylique et l'électrode de masse (Fig. 1b). Comme la vapeur d'eau diffuse lentement, l'HR près du substrat a atteint ~70 % tandis que l'environnement de la pointe de seringue restait à ~50 % (Fichier additionnel 1 : Figure S2). Cette augmentation localisée assure une adsorption rapide d'eau sur les surfaces hydrophiles, facilitant le couplage électrostatique [15].

Résultats et discussion

Modes d'électrofilage

Nous avons examiné deux configurations : (1) électrofilage en champ lointain (distance pointe-collecteur = 8 cm, 13 kV DC) et (2) électrofilage en champ proche (distance = 1 cm, 2 kV DC, pointe mobile à 100 mm s⁻¹). En mode champ lointain, les fibres se sont formées uniquement sur les zones hydrophiles ; les sections hydrophobes sont restées exemptes de dépôt (Fig. 2). La couche d'eau adsorbée sur la surface hydrophile a fourni la mise à la masse nécessaire, tandis que la surface hydrophobe a inhibé la formation du champ électrique. Les expériences en champ proche ont démontré que les fibres pouvaient être écrites directement le long de la trajectoire de la pointe sur les régions hydrophiles, produisant des lignes continues ; les fibres sur les régions hydrophobes apparaissaient instables et tordues.

Films électrofilés en champ lointain sur surfaces à mouillabilité différente. a et c montrent des images macroscopiques ; b et d montrent des micrographies des régions frontalières.

Quatre polymères — PCL, PS, CA et PVDF — ont été testés pour confirmer la polyvalence. Dans chaque cas, les fibres ont été déposées exclusivement sur les régions hydrophiles (Fig. 3). L'analyse MEB (Fig. 4) a révélé que la morphologie des fibres sur le collecteur polymère correspondait à celle produite sur des électrodes métalliques conventionnelles, indiquant que le contrôle d'humidité locale ne compromet pas la qualité des fibres.

Fibres électrofilées de (a) PCL, (b) PS, (c) CA et (d) PVDF sur surfaces hydrophiles versus hydrophobes (barre d'échelle : 10 mm).

Images MEB comparant les fibres PU sur une électrode métallique (a, d) sans contrôle d'humidité, électrode métallique avec contrôle d'humidité (b, e), et substrat polymère hydrophile avec contrôle d'humidité (c, f) sous 12 kV DC.

La force du champ électrique influence également les motifs de dépôt. Lorsque la tension appliquée a augmenté de 6 kV à 16 kV (distance pointe-collecteur = 8 cm), l'instabilité de courbure du jet s'est intensifiée, conduisant à des boucles plus larges déposant des fibres sur les régions hydrophobes (Fig. 5). À basses tensions, les fibres se collectaient predominantly sur la surface hydrophile.

Dépôt de fibres PU sur surfaces hydrophile (droite) et hydrophobe (gauche) aux tensions appliquées de 6, 8, 10, 12, 14 et 16 kV (barre d'échelle : 10 mm).

Les expériences en champ proche ont validé davantage la méthode. Lorsque le collecteur était un polymère hydrophile, la pointe produisait des lignes droites et continues, tandis que sur un collecteur hydrophobe les fibres étaient instables et courbes (Fig. 6). Cela démontre que le patronnage direct sur substrats isolants est réalisable sans électrodes externes.

Films électrofilés en champ proche sur (a) hydrophobe et (b) hydrophile ; (c) photo numérique de fibres écrites sur un substrat hydrophile ; (d) micrographie de la même. La ligne verticale marque la frontière entre régions hydrophile (gauche) et hydrophobe (droite).

Conclusions

Nous avons établi une approche simple et évolutive pour électrofiler sur des substrats isolants de toute épaisseur en tirant parti de la mouillabilité de surface et de l'humidité locale contrôlée. Le plasma d'oxygène rend la surface polymère hydrophile, permettant à l'eau adsorbée à ~70 % HR d'agir comme électrode de masse. Les nanofibres électrofilées déposées sur le collecteur hydrophile correspondent à la morphologie obtenue sur des électrodes métalliques conventionnelles, et l'écriture en champ proche produit des motifs de fibres précis sur les régions hydrophiles de surfaces autrement isolantes. Cette stratégie élimine le besoin de fabrication complexe de MEMS ou d'électrodes, permettant l'intégration de nanofibres électrofilées dans l'électronique flexible, portable et d'autres applications émergentes.