Caractérisation d'un polyéthylène téréphtalate par XPS

L'XPS un outil clef pour l'analyse des surfaces polymères


 
Les matériaux polymères sont omniprésents dans notre quotidien : des emballages alimentaires, aux biomatériaux en passant par l'électronique, les dispositifs médicaux et l'automobile... Ils sont utilisés dans une large gamme de produits industriels et de consommation pour leurs propriétés physiques. 

Les propriétés de surface de ces matériaux sont fondamentales afin de définir les performances des objets qu'ils composent et répondre aux applications bien spécifiques pour lesquelles ils sont employés.  


Le polypropylène et le polyester sont notamment utilisés sous forme de textile dans des prothèses médicales. Il est alors important que leur surface possède des propriétés biocompatibles et anti-bactériennes afin de limiter voire supprimer l'adhésion de potentielles bactéries et donc le risque d'infection chez le patient.

Chaque industrie dispose de prérogatives qui nécessitent des caractéristiques spécifiques pour les polymères : modification de la rugosité de surface, de sa dureté, de sa réactivité avec l'environnement...

 
La spectroscopie de photoélectrons X (XPS) est parfaitement adaptée à la caractérisation de surface des matériaux polymères car elle fournit la composition élémentaire et chimique (excepté pour H et He) de l'extrême surface  sur 3 à 10 nm, voire plus en mode profil.
La grande majorité des matériaux polymères est isolante,  il est donc primordial d'avoir recours à une compensation de charge efficace lors de l'acquisition des spectres à haute résolution avec des rayons X monochromatiques.

La surface est irradiée par des photons X issus d'une source monochromatique. Les atomes de l'échantillon émettent alors des électrons appelés photoélectrons possédant des énergies propres à chaque élément ainsi qu'à son environnement. Les spectres alors obtenus présentent le plus couramment l'énergie de liaison (soustraction de l'énergie des rayons X à l'énergie cinétique des électrons émis) en fonction de l'intensité. 

TESCAN ANALYTICS possède une expertise de plus de 20 années dans l'utilisation de l'XPS sur tous types de matériaux, isolants ou conducteurs... Avec des instruments dernière génération, notre équipe d'experts travaille avec l'ensemble des secteurs industriels.


 

Objectif de l'analyse


Identification de la nature chimique de la surface d'un film polymère.

 

Préparation des échantillons


Une surface d’un cm2 a été découpée au centre de l’échantillon puis placée à l’aide d’un adhésif conducteur sur la platine et introduite dans la chambre d’analyse.

Une première analyse a été effectuée et a mis en évidence une importante contamination siliconée masquant la signature du substrat. Suite à ces résultats, un nettoyage avec la source Clusters d’Argon (Ar2000+ ; 5 Kev ; 30 secondes) a été mis en œuvre et a permis le retrait total du silicone sans dégrader l’échantillon (validation lors de la deuxième analyse).
 

Résultats


Les données XPS sont collectées avec une source monochromatique AlKα. Le spectre de survol est présenté à la figure 1.

Le nettoyage avec la source Clusters d’Argon permet le retrait total du Silicium et révèle uniquement la présence du Carbone et de l’Oxygène visibles respectivement sur le spectre basse résolution à ~285 eV et ~530 eV, avec une stœchiométrie atomique O/C proche de 0.4.

La résolution en énergie du spectre de survol ne permet pas de déterminer la composition chimique en extrême surface du film. L’identification des groupes fonctionnels carbonés ou oxygénés nécessite l’acquisition des spectres en mode Haute Résolution.


Les spectres à haute résolution des pics C1s du carbone et O1s de l’oxygène sont illustrés respectivement aux figures 2 et 3. Les distributions relatives des différentes formes chimiques détectées sur le spectre du carbone et de l’oxygène sont présentées dans les tableaux 1 à 2. Ces distributions sont en parfait accord avec celles attendues pour un polyéthylène téréphtalate (tableaux 3 à 4) confirmant l’importance de l’utilisation de la source Clusters d’argon pour le retrait de la contamination de surface sans détériorer la chimie du matériau polymère.

A noter également la détection des transitions π → π entre 291 et 296 eV sur le spectre C1s du carbone et entre 536 et 542 eV sur le spectre O1s de l’oxygène reflétant la présence d’une structure aromatique.

Résumé


Dans cet exemple, il a été démontré que l'XPS est un outil utile pour évaluer la composition élémentaire de surface ainsi que la nature chimique d’un film polymère.

L'XPS méthode optimale pour l'évaluation de la composition de surface des polymères même quand ils présentent des contaminations.


Il a été également mis en évidence l’apport de la source Clusters d’Argon pour le nettoyage des contaminations d’extrême surface tout en préservant la spéciation chimique de la matière.
 

Dans d’autres travaux, il a été montré la force de l’XPS pour l’évaluation de l’effet de traitements plasma sur la chimie (fonctionnalisation, greffage) d’extrême surface des polymères.

Pour plus d'applications d'analyse des polymères avec l'XPS ou nos autres techniques, consultez notre liste non exhaustive par matériaux ici ou demandez-nous des informations.


D'autres techniques complémentaires peuvent être utilisées pour étudier la nature chimique moléculaire du polymère (FTIR et TOF-SIMS) ainsi que sa topologie de surface (AFM).