Organisation spatiale des charges électriques et cinétique de décharge des nanofibres élaborées par electrospinning : application à l’élaboration de matériaux nanofibreux structurés en 3D

Spatial organization of electric charges and discharge kinetics of nanofibers elaborated by electrospinning : application to the elaboration of 3D structured nanofibrous materials

• Auteur / Autrice : Meng Liang
• Direction : Guy Schlatter
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie physique
• Date : Soutenance le 09/03/2020
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie-physique (Strasbourg ; 1994-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Chimie et Procédés pour l'Energie, l'Environnement et la Santé (Strasbourg ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Wiebke Drenckhan
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Frédéric Bossard, Lucian Dascalescu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Charge et distribution électriques

Solutions de polymère

Propriétés électriques

Nanofibres

Mots clés libres

Electrospinning

Electrospraying

Densité de charge

Potentiel de surface

Scaffolds structurés 3D

Electrospinning

Electrospraying

Charge density

Surface potential

3D structured scaffold

Résumé

L’electrospinning est un procédé permettant la production de matériaux nanofibreux sous l'action d'un champ électrostatique intense. Au cours du procédé, une solution de polymère en régime semi-dilué enchevêtré est introduite dans une aiguille métallique soumise à un potentiel électrique élevé. Lorsque le champ électrique entre l'aiguille et une contre-électrode métallique reliée à la terre électrique, appelée collecteur, est suffisamment fort (de l’ordre de 1 kV/cm), un jet de la solution est violemment éjecté vers le collecteur. Pendant le vol entre l'aiguille et le collecteur, le jet est soumis à des instabilités électro-hydrodynamiques qui provoquent des mouvements de fouet favorisant l'évaporation du solvant et la réduction du diamètre. Après un temps de vol de quelques ms, une nanofibre polymère solide est déposée sur le collecteur sous la forme d’un scaffold non-tissé. Lorsque la nanofibre chargée électriquement est mise en contact avec le collecteur, elle se décharge progressivement. La cinétique de la décharge électrique mais aussi la façon dont les charges sont réparties à la surface du matériau pendant le procédé déterminent l'organisation et la structuration 3D finale du scaffold.Les travaux de cette thèse ont consisté à mesurer les charges électriques portées par la nanofibre lors de son dépôt mais aussi à étudier comment ces charges se dissipent dans la membrane et dans le temps, une fois la nanofibre déposée. Cette étude a ensuite été appliquée au développement de scaffolds nanofibreux de structure contrôlée en 3D.

Electrospinning is a process allowing the production of nanofibrous materials under the action of an intense electrostatic field. During the process, a polymer solution in a semi-diluted entangled regime is fed to a metal needle submitted to a high electrical potential. When the electric field between the needle and a metal counter electrode connected to the electrical ground, called a collector, is strong enough (i.e. about 1 kV/cm), a jet of the solution is violently ejected towards the collector. During the flight between the needle and the collector, the jet is subjected to electro-hydro-dynamic instabilities resulting in whipping movements that promote solvent evaporation and diameter reduction. After a flight time of a few ms, a solid polymer nanofiber in the form of a non-woven membrane is deposited on the collector. When the electrically charged nanofibre is brought into contact with the collector, it gradually discharges. The kinetics of electrical discharge but also the way in which the charges are distributed on the surface of the material during the process determine the organization and the final 3D structuring of the membrane.The work of this thesis consisted in measuring the electrical charges carried by the nanofibre during its deposition but also in studying how these charges dissipate in the membrane and over time once the nanofibre has been deposited. This study was then applied to develop nanofiber membranes with a controlled 3D structure.