Influence de la Température sur le Module de Young des Nanofibres de Polyuréthane Électrofilées

Résumé

Des nanofibres de polyuréthane (PU) électrofilées ont été fabriquées et examinées par microscopie à force atomique (AFM) pour quantifier leur comportement mécanique. Un test de flexion à trois points, réalisé sur fibres individuelles, a révélé un module de Young d'environ 25 GPa pour des fibres de ~150 nm de diamètre à température ambiante. À mesure que le diamètre diminue, le module augmente, attribué à des effets de tension superficielle. L'élévation de la température produit une baisse linéaire du module tandis que la morphologie fibreuse reste intacte.

Contexte

Les nanomatériaux unidimensionnels (1D) attirent l'attention en raison de leurs propriétés distinctives et applications diverses. Si plusieurs voies de fabrication existent, l'électrofilage se distingue par son faible coût, sa scalabilité et sa capacité à produire des fibres sub-microniques via l'amincissement électrostatique de jets.

Le polyuréthane combine segments souples et durs liés par des liaisons uréthane ; les chaînes souples apportent la flexibilité, les chaînes dures la résistance. Sa dureté réglable fait du PU un choix populaire dans l'industrie. Les fibres de PU électrofilées sont prometteuses pour les filtres à air haute performance, textiles de protection, pansements et capteurs. Cependant, leurs propriétés mécaniques sont mal comprises, largement parce que les tests à l'échelle nanométrique sont difficiles. L'AFM s'est imposé comme un outil pratique pour sonder l'élasticité de nanostructures 1D isolées, et une méthode simple de flexion à trois points basée sur l'AFM a été développée pour mesurer le module de Young avec haute précision.

Dans cette étude, nous avons préparé des nanofibres de PU électrofilées et utilisé la flexion à trois points AFM pour étudier l'influence de la température sur leur module de Young.

Méthodes

Préparation des Matériaux

L'élastomère de polyuréthane (Elastollan® 1180A10, BASF) a été dissous dans un mélange 1:1 de N,N-diméthylformamide (DMF) et de tétrahydrofurane (THF ; Tianjin Hengxing Chemical Reagent Co., Ltd.). La solution a été agitée vigoureusement à température ambiante pendant 12 h pour assurer une dissolution complète. L'électrofilage a été réalisé avec un système commercial (Beijing Ucalery Technology Development Co., Ltd.). Une haute tension de 9–10 kV a été appliquée sur un écart de 13 cm entre la filière et une mandrin rotatif mis à la terre. Les fibres ont été collectées, séchées sous vide toute la nuit pour éliminer les solvants résiduels, et stockées dans un dessiccateur avant test.

Caractérisation Physique et Tests

La microscopie électronique à balayage (MEB, JSM-6610LV) a servi à évaluer la morphologie des fibres. L'analyse thermogravimétrique et calorimétrique différentielle (ATG/DSC) a été effectuée sur un TA Instruments SDT Q600 sous argon. Le module macroscopique de la membrane électrofilée a été mesuré sur une machine d'essai universelle Instron 5943. Pour les tests nanomecaniques, les fibres ont été déposées sur un gabarit en silicium avec des tranchées de 2 µm de large, 3 µm de profondeur ; une sonde sphérique AFM de 50 nm de diamètre (Bruker Nano) a appliqué une force au centre de la tranchée. Les constantes de raideur du cantilever ont été calibrées par accord thermique, et la sensibilité de déflexion réglée sur une référence en saphir. Cinq mesures indépendantes par fibre ont été moyennées. Une analyse par éléments finis (ANSYS 15.0) a évalué la pénétration de la pointe, confirmant que la déformation de la surface de la fibre est négligeable.

Résultats et Discussion

Les images MEB montrent un réseau aléatoire de fibres allant de quelques centaines de nanomètres à plusieurs micromètres. Les coupes AFM confirment des profils latéraux uniformes, avec un diamètre moyen de ~300 nm. Les courbes ATG/DSC affichent deux stades de dégradation : une perte de masse mineure entre 100–200 °C (eau et volatils) et une perte prononcée à ~300 °C (décomposition du polymère). Les spectres FTIR montrent des pics caractéristiques du PU à 3320, 2960, 1710, 1530, 1220, 1110 et 777 cm⁻¹, confirmant l'intégrité chimique des fibres.

Dans le dispositif de flexion à trois points (Fig. 3), le module de Young (E) est calculé par :

E = FL³ / (192 dI), avec F la force au milieu, L la longueur suspendue, d la déflexion, et I = πr⁴/4. Le test satisfait toutes les hypothèses (extrémités fixes, L≫r, d petit). Les résultats MEF indiquent une pénétration de pointe <10 % de la déformation, validant le modèle élastique linéaire.

Le graphique module vs diamètre (Fig. 4a) révèle une nette dépendance à la taille : 25 GPa à 150 nm, tombant à ~5 GPa pour fibres >300 nm. Cette tendance s'aligne avec les rapports sur d'autres nanofibres polymères et peut être attribuée à la tension superficielle. En utilisant le modèle de tension superficielle, le module intrinsèque de la nanofibre de PU est ≈5,0 GPa, supérieur au PU massif grâce à l'orientation des chaînes pendant l'électrofilage. La membrane électrofilée elle-même présente un module faible (~0,9 MPa) en raison de sa porosité élevée.

Les mesures température-dépendantes (Fig. 5a) montrent une diminution linéaire du module de 25 °C à 60 °C pour une fibre de 155 nm. L'imagerie AFM à 60 °C confirme que la fibre reste intacte, avec seulement une légère augmentation de diamètre (200→214 nm). Ces résultats suggèrent que les nanofibres de PU maintiennent une stabilité dimensionnelle à températures modérées et pourraient être utiles dans les nanosenseurs et dispositifs thermo-réactifs.

Les tests de durabilité (Fig. 6) ont impliqué 50 cycles de flexion sur une fibre de 215 nm. Le module est resté essentiellement inchangé, indiquant une résilience mécanique robuste.

Conclusions

Nous avons mesuré le module de Young de nanofibres de PU électrofilées par flexion à trois points basée sur l'AFM. Le module augmente fortement quand le diamètre diminue, un comportement régi par la tension superficielle. La température induit une baisse linéaire du module entre 25 °C et 60 °C, pourtant les fibres préservent leur morphologie et résistent à des flexions répétées sans perte significative de rigidité.

Abréviations

1D

Unidimensionnel

AFM

Microscopie à force atomique

DMF

N,N-diméthylformamide

PU

Polyuréthane

MEB

Microscopie électronique à balayage

ATG/DSC

Analyse thermogravimétrique calorimétrie différentielle

THF

Tétrahydrofurane