Procédé de traitement d'une surface d'une pièce en polymères par des ions multi-énergies
L'invention a pour objet un procédé de traitement d'une pièce en polymère par des ions multichargés et multi-énergies appartenant à la liste constituées de l'hélium (He), de l'azote (N), de l'oxygène (O), du néon (Ne), de l'argon (Ar), du krypton (Kr), du xénon (Xe).
L'invention trouve des applications par exemple dans le domaine électronique, où l'on cherche par exemple à supprimer le dépôt de charges électrostatiques pouvant provoquer la destruction de composants électroniques placés sur un substrat en polymère, ou dans le domaine de l'automobile, notamment pour limiter le dépôt de poussière sur un tableau de bord automobile.
La plupart des polymères commercialisés ne conduisent pas le courant électrique. Leur résistivité superficielle se situe entre 1015 et 1017 Ω/α.
Mais la conduction électrique peut être recherchée pour plusieurs raisons, parmi lesquelles:
- l'effet antistatique : éviter par exemple le dépôt de poussières, le collage de sachets plastiques. Un abaissement de la résistivité superficielle pendant quelques semaines ou quelques mois peut être suffisant.
- la dissipation de charges électrostatiques : elle est obtenue avec des matériaux dissipatifs et des conducteurs qui préviennent des décharges électriques et dissipent les charges résultant des mouvements à grande vitesse.
- le blindage électromagnétique : il faut des matériaux avec une très faible résistivité volumique (<1 ohm. cm). Des normes sont à respecter pour limiter les émissions électromagnétiques des produits fabriqués.
La conductivité peut être obtenue par différentes voies :
- les additifs non permanents comme les esters d'amines gras ou les aminés quaternaires. Ces substances, incorporées dans une matrice polymère, migrent à la surface et réagissent avec l'humidité de l'air. En
formant un film humide à la surface, ils diminuent la résistivité superficielle à environ 1014 Ω/α.
- les charges qui abaissent la résistivité superficielle et volumique de façon permanente. Il s'agit notamment de noirs de carbone, de fibres de carbone, de graphite, de fibres d'inox, de paillettes d'aluminium, de nanotubes de carbone. Ces charges surenchérissent le coût d'élaboration du polymère lorsqu'on ne cherche que des propriétés électriques superficielles antistatiques, ou dissipatrices de charges électrostatiques.
- les polymères intrinsèquement conducteurs. Ces derniers sont à la fois chers et sensibles aux conditions d'utilisation. La chaleur et l'humidité ont vite fait de dégrader ses propriétés électriques.
L'adhésion est un phénomène important dans le cas des polymères qui se traduit par le collage de morceau de papiers, de poussières. Cette adhésion résulte de la contribution des forces de Van Der Walls produites par la polarité des molécules situées à la surface du polymère et par les forces électrostatiques induites par la très haute résistivité superficielle.
Outre les problèmes de collage, les pièces en polymère doivent souvent fonctionner dans des milieux chimiques plus ou moins agressifs, à l'humidité ambiante, à l'oxygène ambiant, à des températures très basses ou au contraire très élevées, etc. ce qui peut entraîner par oxydation un accroissement de leur caractère isolant électrique.
Certains polymères sont chargés en agents chimiques de protection contre les UV, l'oxydation. Le rejet de ces agents chimiques vers l'extérieur a pour effet d'accélérer l'oxydation superficielle qui renforce à son tour le caractère isolant du polymère.
L'invention a pour but de diminuer les inconvénients précités et notamment de permettre une forte diminution de la résistivité superficielle d'une pièce en polymère massive tout en conservant dans la masse ses propriétés élastiques et en évitant l'utilisation d'agents chimiques préjudiciables à la santé.
L'invention a donc pour objet un procédé de traitement d'au moins une surface d'une pièce massive en polymère par des ions d'hélium caractérisée
en ce qu'on implante simultanément des ions multi-énergies X+ et X2+, où le ratio RX, où RX = X+/X2+ ou X appartient à la liste constituée de l'hélium (He), l'azote (N), l'oxygène (O), le néon (Ne), l'argon (Ar), le krypton (Kr), le xénon (Xe) avec X+ et X2+ exprimés en pourcentage atomique est inférieur ou égal à 100, par exemple inférieur à 20.
Les inventeurs ont pu par exemple constater que la présence simultanée d'ions He+ et He2+ permet d'améliorer très significativement des propriétés antistatiques de surface des polymères par rapport aux traitements connus où seuls des ions de He+ ou d'He2+ sont implantés. Ils ont pu démontrer qu'une amélioration significative était obtenue pour RHe inférieur ou égal à 100, par exemple inférieur ou égal à 20.
On note que l'invention permet de réduire la résistivité superficielle d'une pièce en polymère massif, et/ou de supprimer le collage de la poussière voire de réduire la polarisation de la surface en supprimant des groupes chimiques fortement polarisées comme OH, COOH. Ces groupes fonctionnels peuvent induire des forces de Van der Walls qui ont pour effet de coller des molécules chimiques ambiantes à la surface du polymère.
L'invention permet par ailleurs d'augmenter la stabilité chimique du polymère en créant par exemple une barrière de perméation. Cette dernière peut ralentir la propagation de l'oxygène ambiant dans le polymère, et/ou retarder la diffusion d'agents de protection chimiques contenus dans le polymère vers l'extérieur, et/ou inhiber le relargage d'agents toxiques contenu dans le polymère vers l'extérieur.
Avantageusement, elle permet de supprimer l'ajout d'agents chimiques ou de charges et de leur substituer un procédé physique applicable à tout type de polymère qui est peu coûteux en consommation de matière et d'énergie.
Dans le cadre de la présente invention, on entend par « massive » une pièce en polymère produite par transformation mécanique ou physique d'un bloc de matière, par exemple par extrusion, moulage ou toute autre technique adaptée à transformer un bloc polymère. De telles transformations permettent d'obtenir des pièces massives de forme variées, par exemple des
pièces tridimensionnelles, des pièces sensiblement bidimensionnelles telles par exemple des bandes profilées ou des plaques, des pièces sensiblement unidirectionnelles, tels des fils.
Parmi les produits en polymère qui peuvent être avantageusement traités par le procédé de la présente invention, on citera en exemples, les supports en polymères de composant électroniques pour éviter des claquages électrostatiques pouvant détruire des composants électroniques, ou des tableaux de bord automobiles pour éviter le dépôt de poussière.
Par ailleurs, il va de soi que la pièce massive en polymère peut être une partie d'une pièce en autre matériau, par exemple rapportée sur cette pièce en autre matériau.
A titre d'exemples et parmi les polymères on peut citer les matériaux suivants qu'il est intéressant de traiter selon l'invention :
• Les polycarbonates (PC)
• Les polyéthylènes (PE)
• Les polyéthylènes téréphtalates (PET)
• Les polyméthylacrylates (PMMA)
• Les polypropylènes (PP)
• Les polymamides (PA)
Selon un mode de réalisation, les ions multichargés, multi énergies sont produits simultanément par une source d'ions à résonance cyclotronique électronique (source RCE).
Grâce au procédé de la présente invention, on peut traiter des profondeurs beaucoup plus importante présentant une grande stabilité chimique se traduisant par une très longue conservation des propriétés électriques superficielles (antistatiques, dissipatrices de charges électrostatiques).
On constate que les temps de traitement ne sont pas longs au regard des exigences industrielles.
En outre, le procédé est peu énergétique, peu coûteux et permet son utilisation dans un cadre industriel sans aucun impact environnemental.
Le traitement d'une pièce en polymère est effectué par implantation simultanée d'ions multichargés multi-énergies. Ces derniers sont notamment obtenus en extrayant avec une même et unique tension d'extraction des ions mono- et multi-chargés créés dans la chambre à plasma d'une source d'ions à résonance cyclotronique électronique (source RCE). Chaque ion produit par ladite source présente une énergie qui est proportionnelle à son état de charge. Il en découle que les ions dont l'état de charge est le plus élevé, donc d'énergie la plus élevée, s'implantent dans la pièce en polymères à des profondeurs plus importantes.
Une implantation avec une source RCE est rapide et peu coûteuse puisqu'elle ne nécessite pas une tension d'extraction élevée de la source d'ions. En effet, pour augmenter l'énergie d'implantation d'un ion, il est économiquement préférable d'augmenter son état de charge plutôt que d'augmenter sa tension d'extraction.
Il convient de noter que l'utilisation d'une source classique, comme notamment les sources permettant l'implantation d'ions par immersion plasma ou les implanteurs à filament, ne permet pas d'obtenir un faisceau adapté à l'implantation simultanée d'ions multi-énergies X+ et X2+, où le ratio RX est inférieur ou égal à 100. Avec de telles sources, il est au contraire généralement supérieur ou égal à 1000.
Les inventeurs ont pu constater que ce procédé permet de traiter superficiellement une pièce en polymère sans altérer les propriétés élastiques de masse.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, la source est une source à résonance cyclotronique électronique produisant des ions multi-énergies qui sont implantés dans la pièce à une température inférieure à 50°C et l'implantation des ions du faisceau d'implantation est effectuée simultanément à une profondeur contrôlée par la tension d'extraction de la source.
Sans vouloir être lié par une quelconque théorie scientifique, on peut penser que dans le procédé, selon l'invention, les ions excitent lors de leur passage les électrons du polymère provoquant des scissions de liaisons
covalentes qui se recombinent aussitôt pour engendrer, par un mécanisme dit de réticulation, une haute densité de liaisons chimiques covalentes majoritairement constituées de carbones. Les éléments plus légers comme l'hydrogène et l'oxygène sont évacués du polymère lors d'un dégazage. Cette densification en liaisons covalentes riches en carbone a pour effet d'augmenter superficiellement conductivité et de réduire voire de supprimer les groupements polaires superficiels à l'origine des forces de Van der Walls à l'origine du collage. Le processus de réticulation est d'autant plus efficace que l'ion est léger.
L'hélium est à ce titre un projectile avantageux que l'on favorisera puisque :
• il est très rapide au regard de la vitesse des électrons des liaisons de covalence donc très efficace pour exciter ces mêmes électrons qui n'ont pas le temps de modifier en conséquence leurs orbitales,
• il pénètre des profondeurs importantes, de l'ordre du micron,
• il n'est pas dangereux,
• il n'intervient pas en tant que gaz noble dans la composition chimique du polymère.
D'autres types d'ions faciles dans la mise en œuvre sans risque pour la santé sont envisageables comme l'azote (N), l'oxygène (O), le néon (Ne), l'argon (Ar), le krypton (Kr), le xénon (Xe).
Selon différents modes préférentiels de réalisation du procédé de la présente invention, qui peuvent être combinés entre eux. Un mode préféré consiste par exemple à combiner:
- le ratio RHe, où RHe = He+/He2+ avec He+ et He2+ exprimés en pourcentage atomique, est supérieur ou égal à 1 ;
- la tension d'extraction de la source permettant l'implantation des ions multi-énergies He+ et He2+ est comprise entre 10 et 400 kV, par exemple supérieure ou égale à 20 kV et/ou inférieure ou égale à 100 kV ;
- la dose d'ion multi-énergie He+ et He2+ est comprise entre 5.1014 et 1018 ions/cm2, par exemple supérieure ou égale à 1015 ions/cm2 et/ou
inférieure ou égale à 5.1017 ions/cm2, voire supérieure ou égale à 5.1015 ions/cm2 et/ou inférieure ou égale à 1017 ions/cm2 ;
- on détermine dans une étape préalable la variation d'une propriété caractéristique de l'évolution de la surface d'une pièce massive en polymère, par exemple de la résistivité superficielle du polymère d'un matériau polymère représentatif de celui de la pièce à traiter en fonction de doses d'ions multi-énergie He+ et He2+ de manière à déterminer un domaine de doses d'ions où la variation de la propriété caractéristique choisie est avantageuse et évolue de manière différenciée dans trois zones consécutives de doses d'ions formant ledit domaine de doses d'ions, avec une évolution dans la première zone sensiblement linéaire et réversible sur une durée inférieure à un mois, une évolution dans la deuxième zone sensiblement linéaire et stable sur une durée supérieure à un mois enfin une évolution dans la troisième zone constante et stable sur une durée supérieure à un mois et où l'on choisit la dose d'ions multi énergie He+ et He2+ dans la troisième zone de doses d'ions pour traiter la pièce massive en polymère; on entend par évolution réversible (première zone) le fait que la résistivité diminue puis remonte pour retrouver sa valeur d'origine. Ce phénomène est dû à la persistance de radicaux libres après implantation qui se recombinent avec l'oxygène de l'air ambiant provoquant ainsi une augmentation de la résistivité superficielle.
- on règle des paramètres de la source et de déplacement de la surface de la pièce en polymère à traiter de manière à ce que la vitesse surfacique de traitement de la surface de la pièce en polymère à traiter soit comprise entre 0,5 cm2/s et 1000 cm2/s, par exemple supérieure ou égale à 1 cm2/s et/ou inférieure ou égale à 100 cm2/s ;
- on règle des paramètres de la source et de déplacement de la surface de la pièce en polymère à traiter de manière à ce que la dose d'hélium implantée soit comprise entre 5.1014 et 1018 ions/cm2, par exemple supérieure ou égale à 5.1015 ions/cm2 et/ou inférieure ou égale à 1017 ions/cm2 ;
- on règle des paramètres de la source et de déplacement de la surface de la pièce en polymère à traiter de manière à ce que la profondeur de pénétration de l'hélium sur la surface de la pièce en polymère traitée soit comprise entre 0,05 et 3 μιτι, par exemple supérieure ou égale à 0,1 μιτι et/ou inférieure ou égale à 2 μιτι ;
- on règle des paramètres de la source et de déplacement de la surface de la pièce en polymère à traiter de manière à ce que la température de la surface de la pièce en polymère en cours de traitement soit inférieure ou égale à 100°C, par exemple inférieure ou égale à 50°C ;
- la pièce en polymère est par exemple une bande profilée, et ladite pièce défile dans un dispositif de traitement, par exemple à une vitesse comprise entre 5 m/min et 100 m/min ; à titre d'exemple, la pièce en polymère est une bande profilée qui défile longitudinalement ;
- l'implantation d'hélium de la surface de la pièce à traiter est effectuée grâce à une pluralité de faisceaux d'ions multi énergies He+ et He2+ produits par une pluralité de sources d'ions ; à titre d'exemple, les sources d'ions sont disposées le long d'une direction de déplacement de la pièce à traiter ; de préférence les sources sont espacées de manière à ce que la distance entre deux faisceaux d'ions soit suffisante pour permettre à la pièce de se refroidir entre chaque implantation d'ions successive; lesdites sources produisent des faisceaux d'ions dont le diamètre est adapté à la largeur des pistes à traiter. En diminuant le diamètre des faisceaux à par exemple 5 mm on est capable de mettre un système de vide différentiel très efficace entre la source et la chambre de traitement, permettant de traiter les polymères à 10"2 mbar alors que le vide au niveau du système d'extraction de la source est de 10"6 mbar ;
- le polymère de la pièce est choisi parmi les polycarbonates, les polyéthylènes, les polyéthylènes téréphtalates, les polyamides, les polyméthylacrylate, les polypropylènes. La liste n'est pas exhaustive. D'autres types de polymère sont envisageables compte tenu du caractère générique du processus de réticulation.
L'invention porte également sur une pièce où l'épaisseur où l'hélium est implanté est supérieure ou égale à 50 nm, par exemple supérieure ou
égale à 200 nm et dont la résistivité superficielle p, est inférieure ou égale à 1014 Ω/α, par exemple inférieure ou égale à 109 Ω/α, voire inférieure ou égale à 105 Ω/α. Pour la mesure de résistivité superficielle on se reportera à la norme CEI 60093.
L'invention vise également l'utilisation du procédé de traitement ci- dessus pour traiter une pièce massive en polymère choisie parmi la liste constituée d'un support polymère pour composant électronique, une pièce de réservoir d'essence.
La présente invention est maintenant illustrée par des exemples de réalisation non limitatifs, notamment en référence aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 représente un exemple de distribution d'implantation d'hélium selon l'invention dans un polycarbonate ;
- la figure 2 représente les échelles selon différentes normes qualifiant les propriétés électrostatiques d'un matériau ;
- la figure 3 représente la variation de la résistivité superficielle de la surface d'un échantillon polycarbonate traité selon l'invention, en fonction du temps, pour une pluralité de doses d'hélium. La résistivité superficielle a été mesurée selon la norme CEI 60093, en mettant en œuvre une électrode constituée d'un disque de diamètre d, entourée par une couronne de diamètre intérieur D où D est supérieur à d ;
- la figure 4 représente la variation de la résistivité superficielle de la surface d'un échantillon polycarbonate traité selon l'invention, en fonction du temps, pour trois types d'ions He, N, Ar selon une pluralité de doses. La résistivité superficielle a été mesurée selon la norme CEI 60093 ; et
- la figure 5 représente la variation de la résistivité superficielle de la surface d'un échantillon polycarbonate traité selon l'invention, en fonction du temps, pour une pluralité de doses d'azote mais selon deux vitesses de déplacement faisceau. La résistivité superficielle a été mesurée selon la norme CEI 60093.
La figure 1 représente un exemple schématique de distribution d'implantation de l'hélium en fonction de la profondeur selon l'invention, dans
un polycarbonate. La courbe 101 correspond à la distribution d'He+ et la courbe 102 à celle d'He2+. On peut estimer que pour des énergies de 100 keV, He2+ parcourt une distance moyenne d'environ 800 nm pour une énergie d'ionisation moyenne de 10 eV/Angstrœm. Pour des énergies de 50 keV, He+ parcourt une distance moyenne d'environ 500 nm pour une énergie d'ionisation moyenne de 4 eV/Angstrœm. L'énergie d'ionisation d'un ion est en rapport avec son pouvoir de réticulation. Dans le cas où (He+/He2+) est inférieur ou égal à 100, on peut estimer que l'épaisseur maximale traitée est de l'ordre de 1000 nm soit 1 micron. Ces estimations sont cohérentes avec des observations effectuées par microscopie électronique qui ont démontré que pour un faisceau extrait à 40 kV et une dose totale de 5.1015 ions/cm2 et (He+/He2+) = 10, on observe une couche réticulée d'environ 750 à 850 nm.
La figure 2 représente selon la norme DOD HDBK 263, les valeurs de résistivité qualifiant les propriétés électrostatiques d'un matériau. Un polymère a des propriétés isolantes pour des valeurs de résistivité superficielle supérieures à 1014 Ω/α (ZONE I), des propriétés antistatiques pour des valeurs de résistivité superficielle comprises entre 1014 Ω/α et 109 Ω/α (zone A). Les propriétés dissipatrices de charges électrostatiques apparaissent pour des valeurs de résistivité superficielle comprises entre 105 Ω/α et 109 Ω/α (zone D) et des propriétés conductrices pour des valeurs inférieures à 105 Ω/α (zone C)
La figure 3 représente l'évolution expérimentale de la résistivité superficielle d'un polycarbonate en fonction du temps, pour différentes doses d'hélium égales à 1015 (courbe 1 ), 2,5.1015 (courbe 2), 5.1015 ions/cm2 (courbe 3), 2,5.1016 ions/cm2 (courbe 4) avec (He+/He2+) = 10, la tension d'extraction est d'environ 40 kV. La mesure de résistivité a été effectuée selon la norme CEI 60093. La technique de mesure de résistivité mise en œuvre ne permet pas de mesurer des résistivités supérieures à 1015 Ω/α correspondant à la zone N, elle sature à 1015 Ω/α. L'axe des abscisses correspond au temps séparant le traitement de l'échantillon à la mesure de sa résistivité superficielle. L'axe des ordonnées correspond à la mesure de la
résistivité superficielle exprimée en Ω/α. On discerne une première zone pour les doses inférieures ou égales à 1015 ions/cm2, la résistivité superficielle diminue pendant moins d'un mois d'environs 3 ordres de grandeur (passant 1 ,5.1016 Ω/α à 5.1012 Ω/α) avant de retrouver sa valeur d'origine située au alentour de 1 ,5.1016 Ω/α (courbe 1 ). Dans cette zone les propriétés antistatiques sont éphémères, les radicaux libres encore présents se recombinent avec l'oxygène et l'air ambiant. Une deuxième zone ou l'on observe une évolution dégressive de la résistivité en fonction de la dose: entre 2,5.1015, 5.1015, 2,5.1016 ions/cm2, la résistivité diminue passant de 1011 Ω/α à 5.109 Ω/α jusqu'à atteindre un plancher de saturation estimé aux alentours de 1 ,5.108 Ω/α. Les propriétés antistatiques (courbe 2 et 3) se renforcent pour devenir dissipatrices de charges électrostatiques (courbe 4). Pour ces doses, les résistivités restent constantes sur plus de 140 jours. Pour des doses supérieures à 2,5.1016 ions/cm2, on atteint une troisième zone ou l'évolution de la résistivité sature en fonction de la dose autour d'une valeur que l'on estime à 108 Ω/α et reste stable dans le temps sur plus de 140 jours.
La figure 4 représente l'évolution expérimentale de la résistivité superficielle d'un polycarbonate (PC) en fonction du temps, pour trois types d'ions He (courbe 1 ), N (courbe 2) et Ar (courbe 3) pour différentes doses égales à 1015, 5.1015 et 2,5.1016 ions/cm2 avec (He+/He2+) = 10, (N+/N2+) = 2 et (ArVAr2"1") = 1 ,8. Le faisceau a d'un diamètre de 15 mm et une intensité de 0,225 mA, la tension d'extraction est d'environ 35 kV. L'axe des abscisses représente la dose en ions par unité de surface exprimée 1015 ions/cm2. L'axe des ordonnées représente la résistivité superficielle exprimée en Ω/α. La mesure de résistivité a été effectuée selon la norme CEI 60093. Pour une même dose les ions les plus lourds sont les plus efficaces pour réduire la résistivité superficielle, le PC traité avec l'azote à une résistivité superficielle au moins 10 fois plus faible que celle du PC traité avec l'hélium, le PC traité avec de l'argon à une résistivité superficielle au moins 10 fois plus faible que celle du PC traité avec de l'azote et 100 fois plus faible que celle du PC traité avec de l'hélium. Les inventeurs préconisent l'emploi d'ions encore plus
lourds comme le Xénon pour réduire davantage la résistivité du polycarbonate.
La figure 5 représente l'évolution expérimentale de la résistivité superficielle d'un polycarbonate en fonction du temps, pour un même type d'ions mais deux vitesses de déplacement faisceau différentes, une vitesse de déplacement égale à 80 mm/s (courbe 1 ), une vitesse de déplacement égale à 40 mm/s (courbe 2) pour différentes doses égales à 1015, 5.1015 et 2,5.1016 ions/cm2 (N+/N2+) = 2. Le faisceau a d'un diamètre de 15 mm et une intensité de 0,150 mA, la tension d'extraction est d'environ 35 kV. L'axe des abscisses représente la dose en ions par unité de surface exprimée 1015 ions/cm2. L'axe des ordonnées représente la résistivité superficielle exprimée en Ω/α. La mesure de résistivité a été effectuée selon la norme CEI 60093. De ces courbes il ressort que la réduction de la vitesse d'un facteur 2 a pour effet de réduire d'un facteur 10 la résistivité superficielle du PC. Sans vouloir être lié par une quelconque théorie scientifique, on peut penser que qu'en réduisant la vitesse du faisceau on augmente la température superficielle du PC. Cette température favorise fortement la recombinaison des radicaux libres entre eux, favorisant du même coup la formation d'une couche dense et conductrice de carbone amorphe. L'échauffement a également pour effet d'expulser les gaz résiduels produits par les mécanismes de scission/réticulation induits par le bombardement ioniques. Les inventeurs ont déduit de cette expérience que pour tout polymère traité avec un faisceau d'un diamètre et d'une puissance connus, il existe une vitesse minimale de déplacement du faisceau provoquant une réduction maximale de la résistivité superficielle du polymère sans risque de dégradation du polymère sous l'effet de la chaleur produite. La dégradation thermique du polymère a pour signature un dégazage important suivie d'une remontée de pression au niveau du système d'extraction de la source RCE. Cette remontée de pression se traduit par des claquages électriques. Le système d'extraction sert à extraire les ions du plasma de la source RCE pour former le faisceau.
Il est constituée de deux électrodes, la première est mise à la terre, la seconde est portée à une haute tension de plusieurs dizaines de kV
(kilovolts) dans des conditions de vide inférieures à 5x10"6 mbar de préférence inférieures à 2x10"6 mbar. Au delà de ces pressions, des arcs électriques se produisent). C'est le cas lorsque la dégradation thermique du polymère survient. Il convient donc de détecter très tôt ces remontées de pressions en réduisant progressivement la vitesse de déplacement du faisceau et en suivant l'évolution de la pression au niveau du système d'extraction.
Pour déterminer cette vitesse de déplacement faisceau les inventeurs préconisent une étape d'essais qui consiste à réduire progressivement la vitesse du faisceau en conservant les autres caractéristiques:
• le caractéristique faisceau: diamètre, puissance autrement dit intensité et tension d'extraction
• les caractéristiques cinématiques : amplitude de déplacement, pas d'avancement.
Le polymère se dégrade thermiquement sous l'effet de la chaleur, lorsque la remontée de pression mesurée par une jauge située aussi bien au niveau du système d'extraction que dans la chambre de traitement, effectue un bond de 10"5 mbar en quelques secondes voire moins. Il faut arrêter immédiatement les essais pour ne conserver que la vitesse de déplacement du faisceau de l'essai précédent. Ce bond de 10"5 mbar en quelques seconde voire moins, constitue la signature d'une dégradation thermique du polymère.
Plusieurs méthodes de caractérisation ont permis de faire ressortir les avantages de la présente invention.
Dans les exemples qui suivent, le traitement d'au moins une surface d'une pièce en polymère massive par implantation d'ions d'hélium He+ et He2+ a été effectué avec des ions He+ et He2+ multi-énergies, produits simultanément par une source RCE. Les polymères traités ont notamment été les suivants : le polypropylène (PP), le polyméthylacrilate (PMMA).
Des essais comparatifs relatifs aux propriétés antistatiques avec des petits morceaux de papier jetés sur des échantillons traités ont permis de montrer que celle ci apparaissent pour des doses supérieures à
5.1015 ions/cm2. Pour ces doses les morceaux de papier se détachent et tombent lorsque l'on retourne ces échantillons, ce qui n'est pas le cas pour des doses inférieures à 5.1015 ions/cm2.
Pour le polypropylène, on a pu mesurer selon la norme CEI 60093 et pour des doses de 1015 et 5.10 15 ions/cm2, une résistivité de 1014 Ω/α. Pour une dose de 2.10 16 ions/cm2, on a pu mesurer une résistivité de 5.1011 Ω/α correspondant à l'apparition de ces propriétés antistatiques.
Selon un mode de réalisation, on estime que les propriétés antistatiques de surface d'un polymère sont significativement améliorées à partir d'une dose supérieure à 5.1015 ions/cm2, ce qui représente une vitesse de traitement d'environ 15 cm2/s pour un faisceau d'Hélium constitué de 9 mA d'ion He+ et 1 mA d'ions He2+.
L'implantation simultanée des ions d'hélium peut se faire à des profondeurs variables, en fonction des besoins et de la forme de la pièce à traiter. Ces profondeurs dépendent notamment des énergies d'implantation des ions du faisceau d'implantation ; elles peuvent par exemple varier de 0,1 à environ 3 μιτι pour un polymère. Pour des applications ou l'on recherche plutôt des propriétés par exemple d'anti collage, on pourrait se contenter par exemple d'épaisseur inférieure au micron, réduisant d'autant les temps de traitement.
Selon un mode de réalisation, on choisit les conditions d'implantation des ions He+ et He2+ de manière à ce que la pièce en polymère conserve ses propriétés élastiques de masse grâce à un maintien de la pièce à des températures de traitement inférieures à 50°C. Ce résultat peut notamment être atteint pour un faisceau d'un diamètre de 4 mm délivrant une intensité totale de 60 microampères avec une tension d'extraction de 40 kV, se déplaçant à 40 mm/s sur des amplitudes de déplacement de 100 mm. Ce faisceau a une puissance par unité de surface de 20 W/cm2. Pour utiliser avec la même tension d'extraction et la même puissance par unité de surface, des faisceaux d'intensité plus importante et conserver les propriétés élastiques de masse, on peut suggérer une règle d'échelle qui consiste à augmenter le diamètre du faisceau, à augmenter la vitesse de déplacement
et à augmenter les amplitudes de déplacements, dans un rapport correspondant à la racine carrée (intensité désirée / 60 microampères). Par exemple pour une intensité de 6 milliampères (soit 100 fois 60 microampères), le faisceau peut avoir un diamètre de 40 mm pour conserver une puissance surfacique de 20 W/cm2. Il convient dans ces conditions de multiplier la vitesse par un facteur 10 et les amplitudes de déplacement par un facteur 10, ce qui donne une vitesse de 40 cm/s et des amplitudes de déplacement de 1 m. Il convient également de multiplier le nombre de passes par ce même facteur pour avoir au final la même dose de traitement exprimée en ion/cm2. Dans le cas d'un défilement en continu, on peut multiplier selon le même rapport le nombre de micro accélérateurs placés par exemple sur le parcours d'une bande.
On constate en outre que d'autres propriétés de surface sont très significativement améliorées grâce à un traitement selon l'invention et que des performances qui ne semblent pas pouvoir être atteintes avec d'autres techniques ont été mises en évidence.
L'invention ne se limite pas à ces types de réalisation et doit être interprétée de façon non limitative, et englobant le traitement de tout type de polymère.
De même le procédé selon l'invention n'est pas limité à l'utilisation d'une source RCE, et même si on peut penser que d'autres sources seraient moins avantageuses, on peut mettre en œuvre le procédé selon l'invention avec des sources mono-ions ou d'autres sources multi-ions, du moment que ces sources sont configurées de manière à permettre une implantation simultanée d'ions multi-énergies appartenant à liste constituée de l'hélium (He), l'azote, (N) l'oxygène (O), le néon (Ne), l'argon (Ar), le krypton (Kr), le xénon (Xe).