developpement industriel d'une plate-forme prototype : applications au traitement de surfaces et a

365 Pages·2009·20.37 MB·French

DEVELOPPEMENT INDUSTRIEL D’UNE
PLATE-FORME PROTOTYPE: APPLICATIONS AU
TRAITEMENT DE SURFACES ET A LA
STERILISATION PAR PLASMAS FROIDS
Guillaume Berthout
To cite this version:
Guillaume Berthout. DEVELOPPEMENT INDUSTRIEL D’UNE PLATE-FORME PROTOTYPE:
APPLICATIONS AU TRAITEMENT DE SURFACES ET A LA STERILISATION PAR PLASMAS
FROIDS. Physique [physics]. Université d’Orléans, 2002. Français. ￿NNT: ￿. ￿tel-00512414￿
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abroad, or from public or private research centers. publics ou privés.
THESE

PRESENTEE
A L’UNIVERSITE D’ORLEANS
POUR OBTENIR LE GRADE DE
DOCTEUR DE L’UNIVERSITE D’ORLEANS

Discipline : Physique

par

Guillaume BERTHOUT

Sujet :

DEVELOPPEMENT INDUSTRIEL D’UNE PLATE-FORME
PROTOTYPE : APPLICATIONS AU TRAITEMENT DE SURFACES
ET A LA STERILISATION PAR PLASMAS FROIDS

Soutenue le 30 octobre 2002 , devant le jury :

M. P. RANSON Professeur, GREMI-ESPEO, Orléans Directeur de thèse
M. L. BOUFENDI Professeur, GREMI-ESPEO, Orléans Directeur de thèse
M. I. GÔKALP Professeur, LCSR, Orléans Président
M. Y. SEGUI Directeur du LGE, Toulouse Rapporteur
M. G. BUREAU Professeur, Directeur de l’ESIEC, Reims Rapporteur
M. G. LE MAGNAN Directeur Général du CRITT, Charleville M. Examinateur

1
2
Remerciements

Le présent travail est issu d’une collaboration entre le Groupe de Recherches sur
l’Energétique des Milieux Ionisés de l’Université d’Orléans et le Centre Régional
d’Innovation et de Transfert de Technologie de Charleville-Mézières. Je tiens à exprimer ma
reconnaissance aux deux partenaires qui, par leurs divers soutiens d’ordre scientifique,
technique et financier, ont permis une véritable collaboration.

Ma plus profonde reconnaissance va à Messieurs P. RANSON et L. BOUFENDI qui,
en acceptant de diriger mes recherches, m’ont témoigné une confiance sans faille. Malgré
mon éloignement géographique, ils ont suivi avec intérêt l’évolution de ce travail. Leur
disponibilité et leur soutien ont été deux éléments clés de la réussite de cette étude.

Je suis très reconnaissant envers Monsieur G. LE MAGNAN, directeur du CRITT de
Charleville-Mézières, pour m’avoir accueilli dans sa société, et pour m’avoir permis de
réaliser cette thèse dans d’excellentes conditions matérielles. Je le remercie également de la
confiance qu’il m’a témoignée en me proposant la responsabilité du département « plasmas
froids et dépôts » du CRITT en juin 2000. Je le remercie d’avoir accepté de prendre part à ce
jury.

Je tiens à remercier particulièrement Monsieur Y. SEGUI, directeur du LGE de
Toulouse. Je lui suis très reconnaissant pour l’intérêt qu’il a porté dès le début à mes travaux
et le remercie d’avoir accepté d’être rapporteur et de faire partie de ce jury de thèse.

Il m’est agréable d’exprimer toute ma gratitude à Monsieur G. BUREAU, Directeur et
Professeur à l’ESIEC de Reims. Les discussions que nous avons pu avoir ont contribué à
l’évolution de ce travail. Je le remercie également d’avoir accepté d’être rapporteur et de faire
partie de ce jury de thèse.

Ce travail n’aurait pu être réalisé sans le soutien de M. J.C. REVEIL, biologiste au
centre hospitalier de Charleville Mézières, ainsi que de ses collaboratrices pour avoir,
pratiquement toutes les semaines, « cohabité » avec la spore de Bacillus subtilis. Je remercie
3
également Madame CHOISY, professeur à la faculté de médecine de Reims, pour m’avoir
extirpé, par ses conseils avisés, de ma profonde ignorance en matière de microbiologie.

Je remercie Monsieur O. SCHMITT, ancien directeur-adjoint du CRITT, pour sa
grande disponibilité. J’ai pu, à maintes occasions, trouver auprès de lui un interlocuteur
attentif et intéressé.

Je tiens à remercier Mlles. N. LACOMBE et C. VIEZ qui furent tour à tour mes
collègues de thèse durant ces trois années. J’ai apprécié l’esprit de concertation et d’entraide
qui régnait au sein de notre département et garderai un très vif souvenir de ces deux
collaborations.

Je tiens à témoigner ma plus vive sympathie à toute l’équipe du CRITT au sein de
laquelle j’ai trouvé une ambiance de travail chaleureuse. Je remercie mes collègues de
m’avoir si bien accueilli dans leur groupe et de m’avoir soutenu sur le plan scientifique et
humain.

Enfin, les mots sont insuffisants pour exprimer ma reconnaissance à la femme de ma
vie qui a été à mes côtés durant ces trois années, et en qui j’ai trouvé un soutien moral
constant. Elle m’aura permis d’évoluer au cours de cette thèse dans un état d’esprit très
positif.

4
Sommaire

Glossaire des abréviations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

Table des illustrations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

Introduction générale. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

Chapitre I. Les surfaces et l’interaction plasma - matière. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
I.A. Modélisation d’une surface. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
I.A.1. Surface idéale. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
I.A.2. Surface réelle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
I.A.3. Surface pratique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
I.A.4. Cas d’une surface polymère. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
I.B. L’adhésion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
I.B.1. Théories de l’adhésion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
I.B.2. Microbiologie de l’adhésion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
I.C. Interaction plasma – matière. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
I.C.1. Photodégradation, photooxydation et oxydation par l’oxygène atomique. . 39
I.C.2. Activation de surface polymère. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
I.C.3. Etude de la surface d’un polymère modifié par plasma. . . . . . . . . . . . . . . . 45
I.D. Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

Chapitre II. Dispositif expérimental. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
II.A. La plate-forme plasma froid. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
II.A.1. La chambre de traitement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
II.A.2. Le système de pompage. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
II.A.3. Les gaz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
II.A.4. La formation des plasmas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
II.B. Diagnostic du plasma. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
II.B.1. La spectroscopie d’émission optique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
II.B.2. La spectrométrie de masse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
II.B.3. La sonde de Langmuir. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
II.C. Diagnostic de la surface. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
II.C.1. La mesure d’angle de contact. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
II.D. Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

Chapitre III. Caractérisation et développement de la plate-forme . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
III.A Caractérisation générale. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
III.A.1. Caractérisation du vide. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
III.A.2. Caractérisation de l’homogénéité du plasma par sonde de Langmuir. . . . 94
III.A.3. Caractérisation de l’homogénéité du plasma par contrôle de la
mouillabilité. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
5
III.B. Application à l’activation de surface polymère. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
III.B.1. Plan d’expérience : étude préliminaire. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
III.B.2. Etude paramétrique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
III.B.3. Développement et industrialisation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
III.C. Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

Chapitre IV. Inactivation des micro-organismes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
IV.A. Généralités. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
IV.A.1. Microbiologie générale et appliquée. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
IV.A.2. Stérilisation : cadre normatif. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
IV.B. Inactivation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144

IV.B.1. Lois de la stérilisation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
IV.B.2. Etude algébrique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
IV.C. Les différents procédés de stérilisation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
IV.C.1. L’étuve Poupinel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
IV.C.2. L’autoclave. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
IV.C.3. Stérilisateur à l’oxyde d’éthylène. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
IV.C.4. Stérilisation au dioxyde de chlore. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
IV.C.5. Stérilisateur à la vapeur de formaldéhyde. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
IV.C.6. Stérilisation par radiations électromagnétiques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
IV.C.7. Faisceau d’électrons. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
IV.C.8. Filtration stérilisante. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 165
IV.C.9. Stérilisation à l’ozone. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
IV.C.10. Stérilisation à l’acide péracétique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
IV.C.11. Stérilisation au peroxyde d’hydrogène. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
IV.C.12. Coûts de revient associés aux méthodes de stérilisation. . . . . . . . . . . . . . 169
IV.C.13. Méthodes de stérilisation traditionnelles et mode d’action : récapitulatif 169
IV.C.14. Procédés de stérilisation en cours de développement. . . . . . . . . . . . . . . . 171
IV.D. Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182

Chapitre V. Stérilisation par plasmas froids. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
V.A. Mise en œuvre du projet stérilisation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
V.A.1. Phase de faisabilité. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
V.A.2. Phase de compréhension des mécanismes d’inactivation. . . . . . . . . . . . . . 194
V.A.3. Phase d’optimisation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
V.A.4. Champ d’action du procédé. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
V.A.5. Phase de validation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
V.A.6. Partenariat. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
V.B. Préparation et dénombrement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
V.B.1. Problématique posée par les bandelettes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
V.B.2. Les lamelles de verre. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
V.C. Théories générales sur l’inactivation des micro-organismes. . . . . . . . . . . . . . . . 211
V.C.1. Théorie de l’irradiation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
V.C.2. Théorie de la combustion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
6
V.C.3. Théorie du claquage électrique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
V.C.4. Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
V.D. Etude préliminaire. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
V.D.1. Nature des mélanges plasmagènes étudiés. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
V.D.2. Perte de charges sporales par mise sous vide. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
V.D.3. Influence du temps de traitement pour un plasma de gaz résiduel. . . . . . . 227
V.D.4. Influence du taux d’oxygène dans le mélange. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
V.D.5. Limite d’application de la technique des dilutions sérielles. . . . . . . . . . . . 230
V.D.6. Influence du temps d’exposition. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
V.D.7. Augmentation de la charge sporale – conséquences. . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
V.E. Caractérisation spectroscopique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
V.E.1. Concentration en oxygène atomique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
V.E.2. Production de photons UV. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
V.E.3. Conclusion de l’étude spectroscopique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
V.F. Optimisation du procédé. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
V.F.1. Contrôle de température. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
V.F.2. Influence de la pression de travail. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
V.F.3. Réduction des distances aux sources. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
V.F.4. Réduction des débits en plasma ECR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
V.G. Conditionnement des dispositifs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
V.G.1. Conditionnement par sachet poreux. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
V.G.2. Conditionnement par sachet étanche. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
V.H. Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287

Conclusion générale. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291

Références bibliographiques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295

Annexes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
A.I. Traitement par plasma de plaques de titane oxydées. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
A.I.1. Théories. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 321
A.I.2. Hypothèses sur les phénomènes d’effet de bord. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
A.I.3. Expérimentation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
A.I.4. Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332
A.II. La microbiologie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
A.II.1. Généralités. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
A.II.2. Structure des bactéries. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
A.II.3. Les spores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
A.II.4. Nutrition et croissance des bactéries. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350
A.III. Petit lexique de microbiologie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
A.IV. Conditions d’application de la méthode d’actinométrie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359
A.V. Conditions d’application de la théorie de Langmuir. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361
A.VI. Diagramme des niveaux d’énergie de l’oxygène. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365
7
8
Glossaire des sigles et abréviations

A Surface de recombinaison de l’oxygène atomique (m2)
recomb.
ADN Acide désoxyribonucléique
ARN(m) Acide ribonucléique (messager)
ATP Adénosine triphosphate
A Probabilité de transition par unité de temps (coefficient d’Einstein) (s-1)
ki
C Coefficient de collage
C
(D)ECR (Distributed) Electron Cyclotron Resonance
d Densité de sites d’adsorption par unité de surface de l’oxygène atomique (cm-2)
SA
D( ) Temps de réduction décimale (min)
T
D Constante de diffusion de l’oxygène atomique (222 cm2.s-1. Torr à 280 K)
diff.
E Energie cinétique (J)
E Energie d’activation de la diffusion (J)
act.
E Energie d’activation des micro-organismes (J)
0
E. coli Escherichia coli
EtO Oxyde d’éthylène
eV Electron-volt (1eV = 1.6 10-19 J)
E Module d’Young (Pa)
Y
f(E) Fonction de distribution en énergie normalisée des électrons
f Force d’oscillateur d’une transition
ik
FTIR Fourier Transformed Infrared
F Temps équivalent (min)
T
Gy Gray (1 Gy = 100 rad)
h Constante de Planck (h= 6.62 10-34 J.s)
h Distance séparant les charges de signes opposés dans un condensateur(m)
+/-
HMDSO Hexaméthyldisiloxane
I , I Courant de sonde électronique, courant de saturation électronique (mA)
e se
I, I Courant de sonde ionique, courant de saturation ionique (mA)
i si
I Le courant au potentiel plasma (mA)
p
I Courant de sonde avec I = I + I (mA)
s s e i
k Constante de Boltzmann (k = 1.38 10-23 J.K-1)
k Constante de vitesse de réaction chimique
i
kO Coefficient d’excitation de l’oxygène (cm-3.s-1)
exc
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