Les matériaux polymères, utilisés par tous et pour tout, sont très souvent traités en extrême surface afin de leur conférer des fonctionnalités chimiques leur permettant de répondre aux propriétés d’usage recherchées. Les traitements de surface ont l'avantage d'apporter des caractéristiques supplémentaires sans altérer les propriétés de volume des matériaux polymères (films, textiles…). Le polypropylène, le polyéthylène et le polyester sont notamment utilisés sous forme de films de quelques dizaines à quelques centaines de µm d’épaisseur. Ces matériaux possèdent une faible énergie de surface, limitant ainsi leur utilisation pour un grand nombre d'applications (impression, collage...).
La fonctionnalisation par plasma atmosphérique est un procédé innovant et " propre ". Il est considéré comme économe en énergie puisque le gaz n'est pas chauffé, très peu d’effluents sont produits et aucun solvant n'est utilisé. Les interactions entre le polymère et les espèces hautement réactives du gaz plasmagène vont modifier la chimie de surface par greffage de nouvelles fonctionnalités.
Le plasma atmosphérique est donc une solution complémentaire aux procédés traditionnels, notamment en ce qui concerne le traitement des très grandes surfaces ou des matériaux non compatibles avec le vide.
La grande majorité des matériaux polymères étant isolants électriques, une compensation de charge efficace est primordiale afin d'obtenir des spectres haute résolution sans artefact. En XPS, la surface de l'échantillon est irradiée par des photons X issus d'une source monochromatique. Les atomes des premiers nanomètres émettent des photoélectrons possédant des énergies caractéristiques de chaque élément ainsi que de leur environnement chimique. Les spectres obtenus présentent le plus couramment l'énergie de liaison (différence entre l'énergie des rayons X et l'énergie cinétique des photoélectrons) en fonction de l'intensité (nombre de photoélectrons émis).
Des échantillons d’un cm2 ont été découpés au centre d’un film PET (Poly Ethylène Téréphtalate) de référence non traité et d’un film PET traité plasma PA-PECVD (Pression Atmosphérique - Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition). Ils sont ensuite fixés sur la platine et introduits dans la chambre d’analyse. L’analyse XPS a été réalisée en détection rasante (analyse angulaire avec un angle de détection de 75°) afin de réduire la profondeur d’analyse à ~ 2 - 3 nm (au lieu de 10 nm en détection normale), augmentant ainsi la sensibilité à la « fine » couche déposée par traitement plasma.
Les données XPS sont collectées avec une source monochromatique AlKα. Les spectres de survol et haute résolution (C1s du carbone, O1s de l’oxygène et N1s de l’azote) sont présentés dans les Figure 1 (avant plasma) et Figure 2 (après plasma). Le spectre de survol permet de déterminer la composition chimique élémentaire en extrême surface du film. L’identification des groupes fonctionnels carbonés, oxygénés ou azotés greffés par le plasma nécessite l’acquisition des spectres en mode Haute Résolution. Les analyses élémentaires mettent en évidence la détection du carbone et de l’oxygène en extrême surface du film PET non traité. Le rapport O/C mesuré (0.4) est conforme avec la stoechiométrie O/C attendue pour une référence PET [C10O4H8]n. Après traitement plasma, de l’azote est détecté à hauteur de 2.2 % atomiques et le rapport O/C mesuré (0.45) est plus élevé que celui de la référence non traitée, traduisant une oxydation de surface. Il est ensuite possible de qualifier et de quantifier les différentes fonctions présentes sur les spectres haute résolution. Après traitement plasma, les transitions π → π (shake-up) sont toujours observées sur les spectres C1s du carbone et O1s de l’oxygène, indiquant que l’épaisseur de la fonctionnalisation plasma est < ~2-3 nm et/ou n’affecte pas la structure aromatique du PET. Le plasma conduit à un greffage d’azote, majoritairement sous forme de fonctions amides N-C=O (~ 60 % de l’azote total). De plus, des fonctions amines N-C, imides N(CO)2 et carbonyles C=O sont également détectées et quantifiées.
Dans d’autres travaux, il a été montré la force de l’XPS pour l’évaluation de l’homogénéité d’un traitement sur des substrats mimant des matériaux biologiques. Le plasma ouvre la voie à un large spectre de solutions technologiques permettant l'amélioration des propriétés barrières et déperlantes des produits techniques du secteur textile...