Fixation thermique : des méthodes efficaces pour assurer la fixation des poudres fonctionnelles dans les textiles

Il existe plusieurs techniques pour intégrer des poudres dans des textiles : le saupoudrage, l’imprégnation électrostatique (méthode Fibroline), ou encore la voie liquide combinée à une étape de séchage sont principalement utilisés. Afin de s’assurer de la bonne intégration de la poudre avec le textile ainsi qu’une durabilité de la fonction apportée, il est souvent nécessaire de fixer la matière.

Une étape de fixation, qu’est-ce que c’est ?

Pour obtenir une fixation optimale d’une poudre dans un textile, il est essentiel d’appliquer la poudre de manière uniforme et homogène sur le support. L’étape de fixation consiste alors à faire adhérer la poudre sur le support pour éviter que celle-ci ne s’échappe au cours de la durée de vie du produit.

La fixation, comment ça marche ?

Pour la fixation de poudres fonctionnelles dans des textiles, les méthodes de type traitement thermique sont le plus souvent utilisées. Avec ces techniques, la fixation dépend des propriétés thermiques des matériaux, c’est-à-dire le support poreux et la poudre active. L’objectif recherché est de dépasser la température de fusion d’une partie des matériaux jouant le rôle de liants. La fixation consiste à faire fondre la matière, et va pouvoir être réalisée soit grâce à la fusion de la poudre, soit la fusion de la fibre du support poreux. En revanche, il est primordial de s’assurer de ne jamais atteindre la température de dégradation des matériaux constituants le produit afin de ne pas altérer les caractéristiques du produit final.

La fusion de la poudre :

La fusion de la poudre va l’amener à générer des points de colle permettant l’adhésion. Il y a deux approches, suivant les caractéristiques de la poudre active :

• Si la poudre active présente une température de fusion, il est possible de la faire fondre et, par conséquent, de la fixer au support ;

• Si la poudre active ne fond pas d’elle-même, il est également possible de la mélanger à une poudre liante. Ce liant garantit la fixation de l’agent actif sur le support poreux en faisant bénéficier l’actif fonctionnel de son pouvoir collant.

La fusion de la fibre :

Une alternative aux poudres liantes est d’utiliser des fibres fusibles. Lorsque la fibre est fondue, elle va venir encapsuler la poudre. Plusieurs méthodes existent :

• La lamination de couches surfaciques : le support poreux et la poudre sont pris en sandwich entre deux couches d’un support textile. Au cours de ce procédé, la matière est chauffée et partiellement compressée en calandre afin de fondre les couches superficielles. Le produit final est multicouche ;

• Les fibres bi-composantes : le cœur de la fibre est constitué d’une première matière, et la couche extérieure est constituée d’une autre matière dont la température de fusion est plus basse que celle du cœur. Seule la couche extérieure de la fibre fond et apporte l’adhésion souhaitée, le cœur quant à lui est entièrement préservé.

Images de fibres bi-composantes obtenues par microscopie électronique à balayage (MEB)

Schéma de lamination

Les outils de la fixation

Plusieurs machines sont en mesure de réaliser une fixation par traitement thermique. On peut distinguer deux catégories, les équipements statiques, utilisés en priorité à l’échelle laboratoire et pour des productions de petits volumes, et les équipements dynamiques, utilisés en production continue pour de plus grands volumes.

Traitement statique :

• La presse pneumatique à plateaux chauffants : cette machine de traitement thermique permettant un bon contrôle de la température, des formats et de l’épaisseur des échantillons. Elle combine thermique et pression ;

• L’étuve : Elle a la capacité de chauffer l’ensemble de son environnement, sans compression des échantillons. En contrepartie, le traitement thermique est généralement plus long.

Traitement dynamique :

• La calandre de lamination : c’est une méthode de fixation privilégiée dans de nombreuses solutions industrielles. Elle apporte de la pression au cours du traitement thermique, et offre une zone de chauffe uniforme sur toute la largeur de la matière ;

• Le four à infrarouge : il permet de chauffer la matière sans compression, et donc de ne pas abîmer la structure 3D des matériaux. La matière est d’abord pré-fondue dans le four IR puis compressée en calandre. Un bon contrôle de la température est nécessaire pour ne pas endommager les matières ;

• Le four à air traversant : il est plutôt utilisé lorsque l’étape de fixation est combinée à une étape de séchage. Il est sans compression, et permet de sécher les matériaux, ce qui le rend pertinent dans les fonctionnalisations en voie liquide. Il est en revanche rarement envisagé pour la fixation de poudres dans le cadre de solution sèches.

Presse à plateaux chauffants de laboratoire et calandre de lamination

Analyse et contrôle qualité du traitement thermique

En vue de garantir les propriétés du produit final, il est important d’analyser la qualité du traitement, pendant et après cette étape de fixation. En effet, les différentes machines de traitement thermique présentent une température de consigne, qui va souvent différer de la température réelle exacte vue par la matière, et ce notamment à cause de l’inertie thermique.

Le temps de chauffe, le type de matériau chauffé, la vitesse de la calandre, et donc le temps de séjour (c’est-à-dire le temps de chauffe et le temps de refroidissement) de la matière dans le dispositif de fixation sont tout autant de facteurs qui impactent la température réelle vue par le produit lors du traitement thermique. De manière évidente, un autre facteur qui influence cette température est la quantité de matière : plus il y a de poudre dans le support poreux, plus la température va mettre du temps à atteindre le cœur de la matière.

L’humidité joue également un rôle dans l’évolution thermique lors de la fixation. Cette humidité peut provenir de l’hygroscopie naturelle des matériaux, ou résulter d’une imprégnation en voie liquide. Il est couramment observé un décalage dans la pente autour des 100°C correspondant à de l’évaporation lors du processus de fixation. Ce phénomène a tendance à freiner la diffusion thermique dans la matière.

Caroline Goument, cheffe de projets R&D, contrôle une étape de traitement thermique à l’aide de thermocouples.

Le but de l’analyse est de s’assurer que le procédé est au plus proche de la température de fusion de la matière à fondre, afin de garantir une qualité et une reproductibilité des produits en sortie de traitement. Pour ce faire, l’utilisation de thermocouples introduits dans le dispositif de fixation permet une bonne observation et un suivi précis de la température lors du traitement thermique. Le contrôle de la température vue par la matière se fait ainsi qualitativement tout au long de la chauffe.

Le cycle de chauffe peut alors être précisément défini selon le type de machine sélectionné pour réaliser la fixation.

Mesures avec les thermocouples représentant l'évolution de la température vue par la matière en fonction du temps.

Conclusion

Les méthodes thermiques de fixation de poudres ont démontré leur efficacité pour fonctionnaliser des textiles. Elles doivent cependant respecter certains facteurs :

• La fusion de la poudre ou de la fibre textile : il est important de parvenir à faire correctement fondre la matière pour obtenir une fixation efficace ;

• La taille de la production et des échantillons : elle va conditionner le choix de la méthode de fixation ;

• Le contrôle de la température du procédé : le suivi qualitatif avec des thermocouples a prouvé sa fiabilité pour s’assurer de la bonne évolution thermique du produit lors du traitement. La précision des températures atteintes est ainsi vérifiée.

En contrôlant soigneusement l'ensemble de ces conditions, les méthodes thermiques permettent de fixer efficacement la poudre dans le substrat et contribuent aux performances à long terme du produit final.