Leçon 13.9Micro et nanoChapitre 13 · Micro- et nanofabrication

Électrofilage

Étire un jet de polymère en nanofibres avec une haute tension

L'électrofilage utilise une haute tension pour étirer une solution de polymère en fibres des centaines de fois plus fines qu'un cheveu. Les fibres s'empilent en une toile légère et aérée appelée matelas de nanofibres. Ces matelas améliorent les filtres à air et les masques, et servent de supports pour faire croître des tissus.

Photo : Farizat Aidyn, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons

électrofilage · montage, zoom sur le cône de Taylor et toile de fibresLes numéros cerclés correspondent aux étapes ci-dessous ; les deux vignettes encadrées zooment sur la pointe de l'aiguille et sur la toile finie.

Comment ça marche

Préparer la solution. Un polymère est dissous dans un solvant, ou fondu, jusqu'à la bonne viscosité (l'épaisseur et la lenteur d'écoulement d'un liquide).
Alimenter une goutte. Un pousse-seringue pousse lentement la solution vers la pointe d'une aiguille métallique, où pend une goutte.
Appliquer la haute tension. Une alimentation typiquement de 5 à 50 kilovolts charge la goutte. Les forces électriques vainquent la tension superficielle et tirent la goutte en une pointe appelée cône de Taylor.
Jet et fouettement. Un jet fin part de la pointe du cône, puis se met à spiraler et à fouetter violemment. Il s'étire des milliers de fois pendant que le solvant s'évapore.
Collecter les fibres. Les fibres sèches se déposent sur un collecteur relié à la terre : une plaque plate pour une toile aléatoire, un tambour tournant vite pour des fibres alignées, ou un tissu en mouvement dans une usine. Le matelas est ensuite décollé, laminé sur un support ou stérilisé pour un usage médical.

Chiffres clés

Matériaux: Solutions ou polymères fondus : nylon, polyester (PET), PVDF, PAN, PCL biodégradable, PVA, collagène, acétate de cellulose ; aussi des précurseurs de céramiques
Pièces typiques: Matelas de fibres non tissés (comme du feutre, non tissés), couches filtrantes sur tissus, tubes, fils alignés
Taille de pièce: Fibres de dizaines de nanomètres à quelques microns d'épaisseur ; matelas d'échantillons de laboratoire à des rouleaux industriels de plusieurs mètres de large
Précision: Pas de tolérance dimensionnelle en tant que telle : la recette et les réglages contrôlent le diamètre des fibres et sa dispersion
État de surface: Toile douce comme du feutre avec une énorme surface et de fins pores qui piègent les particules submicroniques
Taille de série adaptée: De grammes au laboratoire à des lignes de production en continu de plusieurs mètres de large
Coût d'outillage et de machine: Montage de laboratoire à partir de quelques milliers de dollars ; lignes industrielles bien plus
Vitesse: Une seule aiguille produit bien moins d'un gramme de fibre par heure ; les lignes d'usine sans aiguille enduisent un tissu en continu

Atouts et limites

Atouts

Fibres ultrafines avec une énorme surface
Montage de laboratoire simple et peu coûteux
Énorme choix de polymères, de mélanges et d'additifs (médicaments, particules)
Imite le réseau de fibres autour des cellules du corps, ce qui aide les cellules à croître

Limites

Faible production avec des aiguilles uniques
De nombreuses recettes utilisent des solvants toxiques ou inflammables
La taille des fibres dérive avec l'humidité, la tension et la distance
Les matelas fragiles ont généralement besoin d'une couche de support ; les règles de sécurité haute tension s'appliquent

Où on l'utilise

FiltrationCouches de nanofibres dans la ventilation des bâtiments, l'air des moteurs et les filtres de masques
MédicalPansements, supports d'ingénierie tissulaire, greffes vasculaires, patchs à libération de médicament
ÉnergieSéparateurs de batteries, membranes de piles à combustible
TextilesMembranes respirantes imperméables, vêtements de protection
CosmétiquesMasques et patchs en nanofibres
RechercheCapteurs, catalyseurs, nanofibres céramiques

Comment le reconnaître

Les fibres isolées sont invisibles à l'œil ; seule la toile se voit, comme un film blanc ou translucide d'une finesse extrême.
Regardez certains filtres à air, d'aspirateur ou de moteur à haute efficacité : un revêtement délicat sur un tissu plus grossier qui semble trop léger pour fonctionner.
Au microscope électronique, la toile ressemble à des spaghettis emmêlés, avec des brins d'épaisseur presque identique.
Les versions médicales finissent sur des plaies ou à l'intérieur du corps, comme pansements et supports qui peuvent se dissoudre lentement.

À comparer avec

Extrusion3.3pousse la matière à travers l'ouverture d'une filière façonnée ; il fait des fibres et des profilés ordinaires, bien plus épais et plus vite.Tréfilage3.4amincit un fil de métal solide en le tirant à travers des filières ; l'électrofilage amincit un jet liquide avec des forces électriques à la place.Polymérisation à deux photons13.8place chaque micro-détail exactement ; l'électrofilage fait une toile aléatoire, à bas coût, avec peu de contrôle sur l'endroit où chaque fibre se dépose.

À regarder

Hosein Rostamani · Un parcours simple au laboratoire, de la solution au matelas de fibres

Inovenso Ltd. Electrospinning Company · Gros plan du cône de Taylor et du jet à une buse

ELMARCO · Des jets industriels sans aiguille qui montent d'un tambour tournant

Foshan MBRT Nanofiberlabs Co.,Ltd · Un aperçu des produits et des usages des nanofibres

Voir de vraies photos

Wikipédia : Électrofilage — micrographie électronique de nanofibres, schémas de montage et tableau des paramètres
Recherche de photos sur Wikimedia Commons

À retenir

C'est la force électrique qui étire : goutte, cône, jet fouettant, fibre sèche.
Les fibres font de dizaines de nanomètres à quelques microns d'épaisseur, et la toile a une énorme surface.
Les aiguilles uniques sont lentes ; les usines utilisent des lignes sans aiguille pour enduire des tissus filtrants.