Le polyéthylène (PE) est un polymère semi-cristallin et l’un des plastiques les plus produits dans le monde. Il est utilisé dans des biens de consommation et des emballages aux applications très variées. Les sacs à provisions, les bouteilles de lait, les récipients de stockage, les jouets, les fils et les câbles utilisent tous du polyéthylène. Le PE est également un composant clé des réservoirs de carburant. L’attrait du polyéthylène réside dans la combinaison de son aspect physique, de ses propriétés mécaniques telles que la solidité et la rigidité, de sa facilité de transformation en diverses structures, notamment en films, et de son faible coût de fabrication.

La cristallisation des polymères de PE se produit par un mécanisme complexe impliquant à la fois un alignement partiel de leurs chaînes moléculaires en structures ordonnées, ainsi que des régions amorphes avec une structure moins ordonnée. Les structures ordonnées sont obtenues par le repliement des chaînes et forment des régions appelées lamelles. Le repliement des chaînes se produit plus facilement parmi les chaînes linéaires (comme le PEHD) et il est restreint pour les chaînes ramifiées (comme le PEBD).

Le polyéthylène est classé en fonction de sa densité et de sa ramification, les différents types de PE ayant des propriétés mécaniques et des possibilités de transformation différentes. Le polyéthylène haute densité (PEHD) est une structure linéaire d’éthylène qui se traduit par un degré de cristallinité beaucoup plus élevé. Le polyéthylène basse densité linéaire (PEBDL) présente quelques ramifications et une résistance similaire à celle du PEHD mais est beaucoup plus flexible. Le polyéthylène basse densité (PEBD) présente une ramification importante, ce qui entraîne une cristallinité plus faible et une plus grande flexibilité. Les propriétés mécaniques de ces différents PE varient considérablement.

Caractérisation des polymères

Les polymères ont une morphologie à l’échelle nanométrique qui nécessite des méthodes à haute résolution pour discerner correctement leurs structures. Cependant, les méthodes de microscopie à haute résolution telles que la microscopie électronique à balayage (MEB) ou la microscopie électronique à transmission (MET) reposent sur l’impact des électrons sur l’échantillon pour générer un contraste, une approche qui ne fonctionne pas toujours bien pour les matériaux polymères qui ne présentent pas une grande hétérogénéité chimique.

Comme l’AFM repose sur une interaction mécanique entre la pointe et l’échantillon, elle est idéale pour l’imagerie et la caractérisation des polymères, car ceux-ci présentent un large spectre de propriétés mécaniques telles que l’adhérence, qui servent ensuite de base au contraste et à la différenciation dans l’image AFM.

Le DriveAFM de Nanosurf est utilisé pour caractériser différents grades et mélanges de ce polymère si omniprésent et si important. La technique CleanDrive, qui offre des performances et une qualité de données supérieures, permet d’actionner le cantilever de manière photo thermique, ce qui permet d’obtenir des accords de cantilever plus propres et plus fiables que l’actionnement piézoélectrique classique.

Mélanges de polymères hétérogènes

En plus de la visualisation à haute résolution des structures de surface, avec des images de l’ordre lamellaire dans les échantillons de PEHD, PEBD et PEBDL, l’AFM permet l’imagerie de la composition des systèmes polymères hétérogènes (mélanges, copolymères séquencés, composites, caoutchoucs chargés), une capacité importante pour les chercheurs industriels travaillant sur la synthèse, la conception et la formulation des matériaux plastiques ainsi que sur leurs applications.

Emballage en LDPE

Le PE est largement utilisé comme matériau d’emballage et le LDPE est particulièrement répandu pour l’emballage du pain, des aliments surgelés et pour les sacs à provisions. Ces matériaux d’emballage sont généralement marqués sur les sacs par l’étiquette de recyclage accompagnée de la mention « #4 » pour le LDPE. Un sac en LDPE a donc été analysé avec le DriveAFM. Les images ont été enregistrées à des forces de pointe-échantillon faibles et élevées.

Si vous êtes curieux de voir ces images ou si vous souhaitez que nous fassions des analyses de vos échantillons, contactez-nous.

Pour conclure, l’AFM est un outil puissant pour l’imagerie à haute résolution et la caractérisation des matériaux polymères, où le contraste mécanique est la clé pour discriminer les structures et la morphologie.

L’AFM est une technique très importante pour la caractérisation de différents grades de polyéthylène ainsi que de mélanges contenant du PE, l’un des plastiques les plus omniprésents sur le marché de la consommation. La structure lamellaire du polyéthylène est clairement observée sur les différentes images, ce qui donne un aperçu de l’emballage et de la structure globale du PE.

Cet article révèle la puissance et l’utilité de l’AFM pour évaluer les relations structure-propriété de matériaux importants tels que le polyéthylène, ce qui peut être utilisé pour faire progresser la compréhension et la formulation de ces matériaux dans des produits d’utilisation finale.