vignette|250x250px|Photographie MEB de fibres électrofilées de polycaprolactone. vignette|250x250px|Photographie d'un ménisque d'alcool de polyvinyle en solution aqueuse, montrant une fibre électrofilée à partir d'un cône de Taylor. L'électrofilage, ou filature par voie électrostatique est une méthode de production de fibres qui utilise une force électrique pour tirer des fils de polymères chargés en solution ou fondus jusqu'à des diamètres de l'ordre de centaines de nanomètres. L'électrofilage partage des caractéristiques de l'électronébulisation et du filage sec traditionnel des fibresZiabicki, A. (1976), Fundamentals of fiber formation, John Wiley & Sons, Londres .. Le processus ne nécessite pas l'utilisation de coagulation chimique ou de hautes températures pour produire des fibres solides à partir d'une solution. Cela rend le processus particulièrement adapté à la production de fibres utilisant des molécules larges ou complexes. L'électrofilage peut également être effectué à partir de précurseurs fondus ; cette méthode permettant de garantir qu'aucun solvant ne sera transféré au produit final.
Processus Lorsqu'une tension électrique suffisamment haute est appliquée à une gouttelette de liquide, le corps du liquide se charge, et la force de répulsion électrostatique s'oppose alors à la tension de surface forçant la gouttelette à s'étirer ; à un point critique, un flux de liquide jaillit de la surface. Ce point de l'éruption est appelé « cône de Taylor ». Si la cohésion moléculaire du liquide est suffisamment élevée, il n'y a pas de rupture du flux et un jet chargé de liquide est formé (si une rupture a lieu, des gouttelettes sont électropulvérisée)High speed video of the taylor cone formation and electrospinning, YouTubeSingle nozzle electrospinning process nanofiber formation video, YouTube.
Comme le jet sèche en vol, le mode de circulation du courant change de ohmique à convectif tandis que les charges migrent à la surface de la fibre. Le jet est alors allongé par un processus causé par la répulsion électrostatique initiée au niveau de petits plis sur la fibre, jusqu'à ce qu'elle soit finalement déposée sur la mise à la terre du collecteur.. L'allongement et l'amincissement de la fibre résultant de cette instabilité de flexion conduit à la formation de fibres uniformes de diamètres de l'ordre du nanomètre.
Paramètres Poids moléculaire, distribution du poids moléculaire et architecture du polymère Propriétés en solution (viscosité, conductivité et tension de surface) Potentiel électrique, débit et concentration Distance entre les capillaires sur la surface du collecteur Paramètre ambiants (température, humidité et vitesse du flux d'air dans la chambre) Comportement et taille de l'écran du collecteur Jauge aiguille
Appareillage L'installation de laboratoire pour électrofilage standard se compose d'une filière (généralement une aiguille de seringue hypodermique) alimentées en courant continu à haute tension (de 5 à ), une pompe à seringue, et un collecteur mis à la terre. Une solution de polymère, sol-gel, une suspension de particules ou un polymère fondu est chargé dans la seringue et le liquide est évacué à la pointe de la seringue à un taux constant par la pompe à seringue. Une autre possibilité est d'alimenter la goutte à l'extrémité de la filière à partir d'un réservoir à pression constante. Cette seconde solution est recommandée pour les polymères à basses viscosités. vignette|270x270px|Schéma d'électrofilage/électronébulisation avec différentes variantes.vignette|300x300px|Appareil d'électrofilage de laboratoire à pression constante
Augmentation des capacités de production Multiplication du nombre d'aiguilles Roller electrospinning Électrofilage par câble (wire electrospinning) Électrofilage par bulle (bubble electrospinning) Électrofilage par boule (ball electrospinning) Électrofilage haute-vitesse Électrofilage sur arrête (plate edge electrospinning) Électrofilage par bol (bowl electrospinninge) Électrofilage par tube (hollow tube electrospinning) Électrofilage par cône rotatif (rotary cone electrospinning) Électrofilage par bobine (spiral coil electrospinning) Électrosoufflage (electroblowing) Électrofilage sans aiguille (needleless electrospinning) Électrofilage à courant alternatif (alternating current electrospinning)
Autres techniques Des modificationss de la filière et/ou du type de solution peuvent permettre la création de fibres aux structures et propriétés uniques. Les fibres électrofilées peuvent adopter une morphologie poreuse ou en core–shell (noyau-gaine) en fonction du type de matériaux utilisés ainsi que du taux d'évaporation et de miscibilité des solvants impliqués. Pour les techniques impliquant plusieurs fluides pendant la filation, les critères généraux des fibres créées dépendent de la fiabilité de la solution extérieure. Cela ouvre la possibilité de création de fibres composites pouvant servir à la délivrance de médicaments ou possédant la capacité d'auto-réparation en cas de rupture.
Électrofilage coaxial vignette|filière coaxiale en acier Un dispositif coaxial utilise un système d'alimentation à double-injection qui permet l'injection d'une solution dans une autre à l'aide d'une filière. La gaine liquide est censée agir comme un transporteur qui tire le fluide intérieur à l'extrémité du Cône de Taylor. Si les solutions sont non miscibles on observe la formation d'une structure en core-shell (noyau-gaine). Les solutions miscibles peuvent toutefois entraîner la formation de porosité ou de fibres faites de phases distinctes en raison de la séparation de phase lors de la solidification de la fibre. Pour les installations les plus avancées, des filières tri-axiales voir quadri-axiale peuvent être utilisées.
Électrofilage émulsif Des émulsions peuvent être utilisés pour créer une structure core-shell (noyau-gaine) sans modification de la filière. Cependant, ces fibres sont généralement plus difficiles à produire que par électrofilage coaxial en raison du grand nombre de variables qui doivent être prises en compte dans la création de l'émulsion. Une phase aqueuse et une phase d'un solvant non miscible sont mélangées en présence d'un agent réactif pour former l'émulsion. N'importe quel agent capable de stabiliser l'interface entre les phases non miscibles peut être utilisé. Les agents tensioactifs tels que le Laurylsulfate de sodium, Triton ainsi que des nanoparticules ont été utilisés avec succès. Pendant le processus d'électrofilage les gouttelettes issues de l'émulsion sont étirés dans le liquide et progressivement confiné jusqu'à leur coalescence. Si la fraction volumique interne du fluide est suffisamment élevé, un noyau interne continu peut être formé.
L'électrofilage de mélanges est une variante de cette technique qui utilise le fait que les polymères sont généralement non miscibles entre eux et peuvent se séparer sans avoir recours à des surfactants. Cette méthode peut encore être simplifiée si un solvant capable de dissoudre les deux polymères est utilisé.
Électrofilage à polymère fondu L'électrofilage à polymères fondus élimine le besoin de solvants volatils dans la solution utilisée. Les fibres polymères semi-cristallines tels que le PE, PET et PP, qui autrement seraient impossible ou très difficile à filer avec l'électrofilage de solutions, peuvent ainsi être créés. Le matériel utilisé est très similaire à celui employé dans les autres configurations et comprend l'utilisation d'une seringue ou d'une filière, une haute tension d'alimentation et un collecteur. Le polymère fondu est généralement produit par le chauffage par résistance, circulation de fluides, d'air ou par lasers.
En raison de la forte viscosité des polymères fondus, le diamètre des fibres est généralement légèrement plus grand que ceux obtenus à partir d'une solution d'électrofilage. L'homogénéité de la fibre à assurer la stabilité du taux d'écoulement et l'équilibre thermique, a tendance à être très bon. L'instabilité de « fouettage » (), étape principale durant laquelle la fibre est étirée pour la filature à partir de solutions, peut être absente du processus en raison de la basse température de la conductivité et de la viscosité élevée de la fonte. Les facteurs les plus importants qui affectent la taille des fibres sont en général le débit d'alimentation, le poids moléculaire du polymère et le diamètre de la filière. Les fibres de tailles allant d'environ à plusieurs centaines de micromètres ont été créés jusqu'à maintenant avec, pour les tailles les plus petites, des polymères à poids moléculaire faible.
Utilisation vignette|Tissu de nanofibres de polyacrylonitrile produit par électrofilage par bobine La taille de fibres électrofilées peut être nanométrique et les fibres peuvent posséder des textures de surface d'échelle également nanométrique, induisant un comportement différent des « macro-matériaux » lors d'interaction avec d'autres composésAjayan P. M., Schadler, L. S. et Braun, P. V. (2003), Nanocomposite Science and Technology, Weinheim, Wiley-VCH , .. En plus de cela, les fibres produites par électrofilage sont censées avoir deux propriétés principales, un rapport surface/volume très élevé, et une structure moléculaire relativement exempte de défauts. Cette première propriété rend les matériaux électrofilées particulièrement adaptés pour les activités nécessitant un haut degré de contact physique (comme pour héberger des réactions chimiques ou capturer des particules de petite taille lors d'une filtration par enchevêtrement physique par exemple). La deuxième propriété permet aux fibres électrofilées d'avoir une résistance théorique proche de la résistance maximale d'un matériel ouvrant la possibilité de matériaux composites de haute performance.
Filtration vignette|250x250px|Spore d'une mousse de Lycopodium-club (diamètre d'environ 60 micromètres) capturés sur une fibre électrofilée d'alcool polyvinylique. L'utilisation de nanofibres toiles comme moyen de filtration est assez courante. En raison de leur petite taille, les fibres de London-van der Waals sont une méthode de filtration utiles en raison de l'adhérence entre les fibres et les matériels capturés. Les nanofibres polymères ont été utilisées dans des applications de filtration d'air pendant plus de 70 ansFilatov, Y. Budyka, A. Kirichenko, V. (Trans. D. Letterman) (2007) Electrospinning of micro- and nanofibers: fundamentals and applications in separation and filtration processes, Begell House Inc., New York .Donaldson Nanofiber Products . En raison des mauvaise propriétés mécaniques des couches minces des nanowebs (nano-tissages), elles sont généralement posées sur un moyen de filtration du substrat. Le petit diamètre des fibres provoque le glissement des flux à la surface des fibres, ce qui engendre une augmentation de l'interception et de l'impaction inertielle de l'efficacité de ces composites. Le renforcement de l'efficacité de la filtration à la même chute de pression est possible avec des fibres ayant un diamètre inférieur à 0.5 micromètre. Les membranes en nanofibres électrofilées sont de bons candidats pour ces applications.
Utilisations textiles La majorité des premiers brevets d'électrofilage ont été pour des applications textiles, cependant peu de tissu ont été effectivement produits, peut-être en raison de difficultés de maniement de ces fibres à peine visibles. Cependant, l'électrofilage a le potentiel de produire un fluide non-tissé de vêtements par l'intégration de la fabrication de pointe avec de la fibre de électrofilage. Cela introduit une multi-fonctionnalité en mélangeant des fibres electrospinlaced (électro-entrelacées) (électrofilage de différents types de fibres et de revêtements pour former des formes en trois dimensions, tels que les vêtements).
Utilisations médicales