Adhérence de films d’aluminium sur PMMA : potentialité des traitements par plasma froid

Adhesion of aluminum films to PMMA : the potential of cold plasma treatments

• Auteur / Autrice : Mohamed Mounder Kouicem
• Direction : Eric Tomasella, Angélique Bousquet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 01/10/2021
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne (2021-...)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences fondamentales (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Chimie de Clermont-Ferrand (Aubière, Puy-de-Dôme ; 2012-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabienne Poncin-Epaillard, Didier Léonard, Laurent Dubost
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphanie Roualdes, Nicolas Martin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aluminium -- Couches minces

Polyméthacrylate de méthyle

Mots clés libres

PMMA

Aluminium

PVD

Adhésion

XPS

Traitement plasma

Dégradation de surface

PMMA

Aluminum

PVD

Adhesion

XPS

Plasma treatment

Surface degradation

Résumé

Le polyméthacrylate de méthyle PMMA est l’un des polymères les plus utilisé dans divers secteurs de l’industrie (automobile, décoration …). Cependant, celui-ci est connu pour avoir une très mauvaise adhérence aux films minces d'aluminium déposés par plasma froid (PVD). Dans la gamme de fabrication actuelle, l’obtention d’une bonne adhérence Al/PMMA nécessite l’utilisation d’un vernis d’accrochage déposé par voie liquide. Cette solution nécessite de nombreuses étapes de préparation (nettoyage chimique et électrostatique, transfert du substrat vers le réacteur d'enrobage…) et elle est à l’origine de déchets liquides et gazeux. Il était donc nécessaire d’envisager une solution de traitement de surface par voie sèche permettant à la fois d’améliorer les propriétés adhésives du PMMA et mieux comprendre les mécanismes de l’adhésion polymère/métal. Pour cela nous avons choisi la technologie de traitement de surface par plasma froid qui est une technologie propre, peu couteuse et qui peut être réalisée dans le même réacteur de métallisation.A travers ce projet, nous avons pu montrer que les traitements de surface par plasmas froids à gaz réactifs, particulièrement le CO2, améliorent l’adhérence du PMMA. Cette amélioration a été corrélée avec une augmentation de l’énergie de surface du polymère grâce au greffage de groupements chimiques riches en oxygène (C-O, C=O, O=C-O) comme nous l’avons montré par XPS. La suite de l’étude a été concentrée sur l’interaction entre les espèces énergétiques du plasma (radiations UV, atomes et ions) et la surface du PMMA. Nous soupçonnons que les mécanismes de l’adhérence sont régis par deux phénomènes simultanés : la fonctionnalisation (activation) de surface par le greffage de groupements chimiques oxygénées et la dégradation de la surface par des mécanismes de scission de chaines carbonées.

Polymethylmethacrylate (PMMA) is a polymer widely used in various industrial fields (automotive, decoration, etc.). However, PMMA is known to have very poor adhesion to aluminum thin films deposited by magnetron sputtering (PVD). To ensure a good adhesion between PMMA and aluminum, the industrial partner uses a varnish deposited by wet coating process. This solution requires many preparation steps (chemical and electrostatic cleaning, substrate transfer to the coating reactor …) and it is a source of liquid and gaseous wastes. Therefore, it was necessary to consider a dry surface pre-treatment solution to improve the adhesive properties of PMMA and better understanding the polymer/metal adhesion mechanisms. Hence, we have chosen the cold plasma pre-treatment technology, which is a clean, inexpensive, and can be carried out in the same metallization reactor.Through this study, we showed that surface pre-treatments by cold plasma with reactive gases, particularly CO2, improves the adhesion of PMMA. This improvement was correlated with an increase in the surface energy of the polymer thanks to the grafting of oxygen rich functional groups (C-O, C=O, O=C-O). The next study was focused on the interaction between the energetic species of the plasma (UV radiation, atoms, and ions) and the surface of PMMA during plasma pre-treatment. We suspect that the mechanisms of adhesion are governed by two simultaneous phenomena: surface functionalization (activation) by the incorporation of oxygen functional groups and surface degradation by carbon chain scission mechanisms.