Mesure du taux de recouvrement d'un traitement de surface - XPS

L'estimation du taux de recouvrement concerne de nombreux industriels : du secteur du coating à l'univers des textiles en passant par celui des cosmétiques. Les acteurs de ces domaines s'y intéressent afin de vérifier que les traitements appliqués sur différents substrats sont bien homogènes et recouvrent l'intégralité des zones d'intérêt.

Le taux de recouvrement est une donnée clef pour de nombreux industriels souhaitant contrôler la couvrance d'un traitement sur un substrat.

Dans cette note d'application, nous prendrons l'exemple de la détermination du taux de recouvrement d'un fond de teint sur une peau naturelle. La méthodologie suivie est très facilement transposable aux crèmes de protection solaire, ou autres soins cosmétiques. Le fond de teint, base indispensable pour tout maquillage, a vu son marché évoluer ces dernières années. Les réseaux sociaux dévoilent, en effet, chaque jour des photos de personnes affichant une peau zéro défaut avec un grain lisse et un teint uniforme. Que cela vienne de filtres, de soins novateurs ou d'un maquillage sophistiqué, cette tendance a très rapidement séduit et les demandes se sont orientées vers des fonds de teint grande couvrance permettant de camoufler la moindre petite imperfection. 

Pour répondre au mieux à cette appétence croissante d'un teint parfait, le taux de recouvrement est une donnée importante pour l'industrie cosmétique.

Différents modèles de peaux artificielles peuvent utilisés pour mimer la peau naturelle en termes de morphologie et de composition chimique. Le stratum corneum ou "couche cornée" constitue, de par son caractère naturel, le substrat idéal pour l’évaluation de l’efficacité et de l’homogénéité d’un traitement cosmétique. Le stratum correspond à la couche la plus externe de l'épiderme de la peau.

De nature lipidique riche en azote (céramides), le stratum corneum joue un rôle important, notamment pour l'hydratation et les défenses immunitaires. Il joue le rôle de barrière, en empêchant molécules et bactéries de rentrer ou sortir de l'organisme grâce, entre autres, à ses propriétés antibactériennes associées à un pH acide.

La spectroscopie de photoélectrons X (XPS) se décline en plusieurs modes d’acquisition. Le mode grille est parfaitement adapté à la caractérisation statistique de la surface d’un matériau traité.

Donnant accès à une matrice de données répartie sur une surface d’analyse de l’ordre du cm², ce mode permet d’évaluer avec précision le caractère homogène d’un traitement.
En XPS, la surface est irradiée par des photons X issus d'une source monochromatique. Les atomes de l'échantillon émettent alors des photoélectrons possédant des énergies propres à chaque élément ainsi qu'à son environnement. Les spectres ainsi obtenus présentent le plus couramment le nombre de photoélectrons détectés en fonction de leur énergie de liaison (différence entre l'énergie des rayons X et l'énergie cinétique des électrons émis).
Classiquement, la surface analysée par XPS est de l’ordre de quelques centaines de µm². Le mode grille, s’appuyant sur un logiciel d’acquisition parfaitement adapté, permet de couvrir une surface beaucoup plus grande pouvant aller jusqu’à plusieurs cm².  

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 de dernière génération, notre équipe d'experts travaille avec l'ensemble des secteurs industriels.

Figure 1 : Superposition des spectres de survol du stratum non traité


Figure 2 : Superposition des spectres de survol du stratum après application du traitement cosmétique
 

Le taux de recouvrement des échantillons de stratum traité peut être estimé à partir de la différence des concentrations atomiques de l’azote, élément traceur de la peau et caractéristique du stratum, avant et après application du traitement cosmétique, à partir de la formule suivante :  
avec :
[N]_{moyen référence} : % atomique moyen de l’azote mesuré pour le stratum non traité
[N]_{peau traitée} : % atomique moyen de l’azote mesuré après application du traitement cosmétique
 
Les superpositions des 16 spectres de survol acquis par échantillon sont présentées dans les Figures 1 (stratum non traité) et 2 (après application du traitement cosmétique).


Tableau 1 : Compositions élémentaires (% atomiques)

Les analyses élémentaires présentées ci-dessus mettent en évidence la détection de l’azote à hauteur de 3.7 ± 0.1 % atomiques en extrême surface du stratum corneum non traité. Après application du traitement cosmétique, l’azote traceur du stratum corneum n’est plus détecté, laissant place au fer, traceur du produit cosmétique présent à hauteur de 3.0 ± 0.1 % atomiques.
Ces résultats indiquent un recouvrement total (100 %) du stratum corneum par le traitement cosmétique qui présente une épaisseur supérieure à 10 nm (profondeur d’analyse de l'XPS).

Les faibles écart-types des concentrations atomiques mesurées entre les différents points d'analyse de la grille reflètent la bonne homogénéité de composition élémentaire de la surface des deux échantillons, en particulier de l'échantillon traité et du taux de recouvrement du traitement cosmétique.
 

Dans cet exemple, il a été démontré l’apport du mode grille pour quantifier statistiquement la couvrance d'un traitement cosmétique sur un échantillon de stratum corneum.

L'XPS en mode grille est la méthode de choix pour le suivi statistique du taux de recouvrement d’un substrat par un traitement.

Cette méthodologie est transposable à de nombreuses applications afin de déterminer l'efficacité et l'homogénéité d'un traitement.

Dans d’autres travaux, il a été montré la force de l’XPS pour l’évaluation de l’homogénéité d’un traitement de fonctionnalisation chimique par plasma atmosphérique sur des films polymères.

Pour d'autres exemples d'application de l'XPS ou de nos autres techniques d'analyse, demandez-nous des informations.

D'autres techniques complémentaires peuvent être utilisées pour étudier le recouvrement d’un substrat par un traitement (TOF-SIMS en mode imagerie ; TEM ou SEM selon les épaisseurs du traitement).