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Journée Scientifique Fed3G et MaiMoSiNE ‘Mouillage, démouillage, imprégnation’ 14 novembre 2013
Mouillage et Imprimabilité
D. Chaussy (LGP2/Grenoble INP) [email protected]
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Journée Scientifique Fed3G et MaiMoSiNE ‘Mouillage, démouillage, imprégnation’ 14 novembre 2013
Mécanique des fluides dédiée aux procédés
d’impression Viscosité, Rhéologie, Formulation, Encre,
Fluide modèle
Génie des procédés pour la
fonctionnalisation des surfaces
Impression, Enduction, Surface,Transfert
Étude des surfaces et des interfaces Énergie de surface, Tension de surface,
Mouillabilité, Adhésion, Topographie
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• Encres classiques (pigments, colorants), toners
• ‘Encres particulières’ (particules conductrices, photoluminescentes…)
• Large gamme de viscosité 0,0001 - 20 Pa.s
• Comportements rhéologiques Différents (102 -106 s-1)
• Procédés d’impression très différents :
Avec ou sans contact Feuille à feuille, Bobine / bobine
• Jet d’encre, offset, flexographie,
héliogravure, sérigraphie
• Supports d’impression très différents
Papiers, carton ondulé, films étirables, revêtements PVC
Verre, céramique, silicium…
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Cas de l’impression ‘classique’
Critère à respecter Tension superficielle du fluide à déposer inférieure à
l’énergie de surface du support d’impression
Deux possibilités Formulation du fluide : utilisation de tensioactifs
Traitement de surface du support : corona, plasma…
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Exemple d’un cas classique Elaboration de papiers photoluminescents
par techniques d’impression
Application papiers de sécurité
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Compréhension des interactions à la micro-échelle
Validation de la processabilité des
dispersions de n-particules
Élaboration de n-particules avec des propriétés contrôlées
(taille, charge de surface)
Étude des interactions n-particules/cellulose (substrat d’impression)
Interactions
PROCEDES D’IMPRESSION
Cellulose
H2O
Problématique
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0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
2
400 450 500 550 600 650
Longueur d'onde (nm)
CPS/
CPS
413n
mPropriétés de l’émulsion Tg PFFO : - 20°C
Taille de particules : ~ 55 nm
Charge de surface : potentiel Zeta +56 mv
Préparation des colloïdes de PFFO par mini émulsification
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Pas d’homogénéité de l’adsorption des nanoparticules de PFFO Présence d’agrégats à la surface des fibres Utilisation de tensioactif TTAB Recouvrement homogène
Microscope à fluorescence
Formulation d’encre Tension superficielle : ~ 41 mN.m-1 Taille moyenne de particules : 55 nm Viscosité : 1.12 mPa.s (comportement Newtonien)
Intéractions n-particules/cellulose
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Forme d’impression
Procédés avec et sans contact
Procédés d’impression
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Exemple d’un cas ‘moins’ classique
Elaboration de couches actives pour piles à combustible par techniques d’impression
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– Le contexte : • Diminution de la quantité de Platine utilisée
– La méthode • Rupture technologique : production de PAC sur une ligne
unique par procédés d’impression continus. • Développement d’encres de couches actives à base
aqueuse.
– La problématique • Impression de substrats peu stables et hydrophobes
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Electrons
(PFSA) Nafion®: Conduction des protons de l’anode à la cathode Transport d’eau
Membrane en Nafion® (PEM)
Structure permeable et hydrophobe • Couche macroporeuse (Carbon fibers) • Couche microporeuse (PTFE Carbon particles)
Couche de diffusion (GDL)
Carbone: conducteur d’électrons • Platine: catalyseur • (PFSA) Nafion® : transfert des protons
Couche active : Catalyst Layers (CL)
Pile à combustible à membrane échangeuse d’ions Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC)
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Technique classique d’élaboration
Enduction de la couche active sur :
La membrane en nafion La couche de diffusion
Epaisseur déposée d’environ 30 à 40 µm ~0,4 mg de Pt/cm²
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la membrane ‘gonfle’ au contact de la goutte
la membrane se déforme durant le test d’impression
0 s
60 s
120 s
Observation : Dépôt d’une goutte d’eau/d’encre sur la membrane
Comment améliorer l’imprimabilité?
Impression de la membrane
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Pré-traitement par immersion dans l’eau
Maximiser la déformation de la membrane avant impression Minimiser l’impact de l’encre aqueuse sur la membrane
24h à Temp. ambiante
Eau à Temp. ambiante
t = 10s 0.7 kPa
Flexographie
Immersion Essuyage Impression séchage
Impression de la membrane
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Déformation de la Membrane sous la goutte
Angle de contact apparent
Mesure de 2 paramètres
Dépôt d’une goutte d’eau ou d’encre aqueuse (2µl)
En fonction de la durée d’immersion de la membrane (0, 10, 30, 60, 90 and 120 s) En fonction du temps d’observation après le dépôt de la goutte (0, 10, 30, 60, 90 and 120 s)
Elevation
Apparent contact angle
Impression de la membrane
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Diminution de l’angle de contact
Dur
ée d
’imm
ersi
on
Temps d’observation après dépôt de la goutte t = 0 s t = 60 s t = 120 s
t = 0 s
t = 60 s
t = 120 s
Augmentation de la déformation
Diminution de la la déformation sous la goutte
le pré-traitement permet de diminuer l’instabilité de la membrane au contact de l’eau ainsi que l’angle de contact
Impression de la membrane
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Echantillon non traité
Echantillon traité
Déf
orm
atio
n (µ
m)
Temps (s)
30s
120s
Echantillon non traité
Echantillon traité
Ang
le d
e c
onta
ct (°
) Temps (s)
90° 30s
120s
Impression de la membrane
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Essais d’impression, flexiproof, anilox 13 cm3 m-2, 3 couches d’encre déposées
Anilox
Printing cylinder
Form cylinder
Cliché
Doctor blade
Impression de la membrane
Réduction des plis créés lors de l’impression et donc réduction des défauts d’impression
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Impression de la membrane
Performance presque identique avec 2 fois moins de Pt utilisé
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Impression de la couche de diffusion
Couche de diffusion GDL (SGL 24 BC)
Coupe
Surface
Couche Microporeuse 10 w/w % PTFE
Couche macroporeuse 5 w/w% PTFE
Ep ~ 220 µm G ~ 102 g/m²
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Impression de la couche de diffusion
1 mm 1 mm
GDL
Dépôt d’1 couche d’encre sur la GDL, Flexiproof, anilox 13 cm3 m-2
Direction d’impression
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Impression de la couche de diffusion
1 mm
Défauts d’impression
Mauvaise scission du film d’encre durant le transfert
Marbling
Faible imprimabilité confirmée
1 mm
Couche d’encre GDL
Dépôt d’1 couche d’encre sur la GDL, Flexiproof, anilox 13 cm3 m-2
Direction d’impression
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Impression de la couche de diffusion
24
1 mm
Couche d’encre Couche d’encre
GDL Printing direction
Dépôt d’1 couche d’encre sur la GDL, Flexiproof, anilox 13 cm3 m-2
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0 1 2 3 4 5 6Nombre de couches superposées
Cha
rgem
ent d
’enc
re(m
g cm
-2)
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Impression de la couche de diffusion
25
1 mm
Couche d’encre Couche d’encre
Couche d’encre GDL Printing
direction
Dépôt d’1 couche d’encre sur la GDL, Flexiproof, anilox 13 cm3 m-2
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0 1 2 3 4 5 6Nombre de couches superposées
Cha
rgem
ent d
’enc
re(m
g cm
-2)
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Impression de la couche de diffusion
26
1 mm
Couche d’encre Couche d’encre Couche d’encre
Couche d’encre GDL Printing
direction
Dépôt d’1 couche d’encre sur la GDL, Flexiproof, anilox 13 cm3 m-2
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0 1 2 3 4 5 6Nombre de couches superposées
Cha
rgem
ent d
’enc
re(m
g cm
-2)
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Impression de la couche de diffusion
27
1 mm
Couche d’encre Couche d’encre Couche d’encre Couche d’encre
Couche d’encre GDL Printing
direction
Contrôle de la quantité d’encre
Dépôt d’1 couche d’encre sur la GDL, Flexiproof, anilox 13 cm3 m-2
1ère couche= Promoteur d’adhésion Craquelures augmentent avec le nombre de couches
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0 1 2 3 4 5 6Nombre de couches superposées
Cha
rgem
ent d
’enc
re(m
g cm
-2)
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Impression de la couche de diffusion
Propriétés de la couche active
Epaisseur (µm)
KCL (m² s-1 Pa-1) 10-7
1 couche 0.5 ± 0.01 0.46 ± 0.02 2 couches 3.30 ± 0.1 2.7 ± 1.2 3 couches 9.3 ± 0.2 6.0 ± 1.6 5 couches 14.2 ± 0.3 7.3 ± 1.3 Coating standard 32.6 ± 0.8 38 ± 15
ESEM Topographie 3D
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Impression de la couche de diffusion
Propriétés de la couche active
Epaisseur (µm)
KCL (m² s-1 Pa-1) 10-7
1 couche 0.5 ± 0.01 0.46 ± 0.02 2 couches 3.30 ± 0.1 2.7 ± 1.2 3 couches 9.3 ± 0.2 6.0 ± 1.6 5 couches 14.2 ± 0.3 7.3 ± 1.3 Coating standard 32.6 ± 0.8 38 ± 15
ESEM Topographie 3D
Enduction classique = couche active fragmentée
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Impression de la couche de diffusion
Propriétés de la couche active
250
350
450
550
650
750
850
950
0 400 800 1200 1600Densité de courant (mA/cm²)
Tens
ion
(mV)
Densité de courant (mA cm-2)
Volt
(mV
)
Chargement Pt (mg cm-2 )
ECSA (cm2 mgPt
-1)
5 couches 0.26 658 Coating standard 0.46 659
Chargement en Platine 2 fois plus faible Utilisation similaire du catalyseur
Couches actives imprimées en flexographie : performances similaires avec 2 fois moins de Platine
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Conclusion
• Cas classique d’impressions : possibilité de jouer sur la formulation de l’encre ou d’utiliser des traitements de surface pour améliorer la compatibilité entre le fluide et le support d’impression.
• Cas d’impressions ‘particulières’ : choix de la technique d’impression, des paramètres du procédé qui permettront l’optimisation du dépôt.
• Dans tous les cas le triptyque Fluide/Substrat/Procédé devra être considéré
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Journée Scientifique Fed3G et MaiMoSiNE ‘Mouillage, démouillage, imprégnation’ 14 novembre 2013
Remerciements
• O. Stephan (LSP) • R. Vincent, C. Nayoze (CEA) • P. Sarrazin, D. Beneventi, C. Bois, A. Blayo, P.
Dumont (LGP2)