Inspiré par le gecko : amélioration des propriétés d'adhérence des plastiques grâce à la combinaison de micro et de nanostructures
La surface structurée améliore l'adhérence, la mouillabilité, la réflexion optique, l'hydrophobie et la recyclabilité.
Grâce à un procédé breveté de micro-nano-structuration, l'Institut Fraunhofer pour la microstructure des matériaux et des systèmes IMWS de Halle (Saale) a obtenu des améliorations significatives des propriétés d'adhésion des polymères. Ce procédé, qui consiste à produire des surfaces structurées par impression à chaud ou par moulage par injection, offre également des avantages considérables en termes de mouillabilité, de réflexion optique, d'hydrophobie et de recyclabilité.
Image au microscope électronique à balayage de la structure hiérarchique d'une surface en polycarbonate.
© Fraunhofer IMWS
Lorsqu'un gecko grimpe aux murs, il le fait grâce à la grande surface de contact des structures hiérarchiques et fibrillaires de ses pattes avec le sol. Le Fraunhofer IMWS a mis en œuvre une approche similaire pour les surfaces des polymères. Celles-ci sont dotées d'une structure hiérarchique par impression à chaud, à l'aide d'outils de gaufrage en oxyde d'aluminium qui ont été préalablement micro et nanostructurés à l'aide d'un laser et d'un processus électrochimique d'auto-organisation.
Le procédé convient à la structuration de diverses matières plastiques telles que les élastomères thermoplastiques (TPE), les polyuréthanes thermoplastiques (TPU), le polycarbonate (PC), le polyméthacrylate de méthyle (PMMA), le polypropylène (PP) ou le polyéthylène (PE). Les outils de gaufrage en oxyde d'aluminium peuvent être facilement intégrés dans les processus de production existants pour la transformation des matières plastiques. Le moulage s'effectue à haute température et à basse pression. Après refroidissement sous charge, le démoulage est effectué en retirant le matériau polymère de l'outil de gaufrage.
Afin d'optimiser le processus, l'équipe Fraunhofer a déterminé les températures de traitement appropriées sur la base des températures de transition vitreuse et de fusion obtenues par calorimétrie différentielle à balayage (DSC). La micro/nanostructure des outils de gaufrage et la structure inverse de la surface du polymère avec les nanofilaments les plus fins qui en résulte ont été examinées au moyen de la microscopie électronique à balayage (MEB). Sur des surfaces humides (céramique, verre, métal), la méthode Gecko a permis d'augmenter la force d'adhérence jusqu'à 85,4 %.
Les structures de surface peuvent être adaptées individuellement et spécifiquement à l'aide d'outils fabriqués de manière appropriée, ce qui ouvre un large éventail d'applications possibles. De nouvelles solutions pour l'industrie de l'emballage visant à améliorer l'adhérence de la colle et des encres d'imprimerie sur les films sont évidentes, de même que de nouvelles approches pour empêcher la formation de buée sur les surfaces en plastique, par exemple dans l'industrie optique.
"Un autre avantage majeur est que nous pouvons obtenir différentes structures de surface et donc de nouvelles propriétés des matériaux sans introduire d'éléments supplémentaires tels que des additifs ou des revêtements. Cela signifie que les matériaux peuvent rester purs, ce qui simplifie considérablement le recyclage ultérieur", explique le Dr Andrea Friedmann, directeur du groupe "Matériaux biofonctionnels pour la médecine et l'environnement" au Fraunhofer IMWS. "Les procédures d'approbation longues et coûteuses sont également évitées, car la micro-nano-structuration est effectuée sur des matériaux déjà approuvés et qui n'ont pas été modifiés chimiquement. Cela permet aux entreprises de gagner beaucoup de temps et d'économiser des coûts élevés lors de l'introduction de produits améliorés."
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