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Elaboration of composite and chemically heterogeneous icephobic coatings

Arianpour Faranak. (2015). Elaboration of composite and chemically heterogeneous icephobic coatings. Thèse de doctorat, Université du Québec à Chicoutimi.

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Résumé

Atmospheric icing happens when the surfaces of exposed structures are subjected to contact with super-cooled water droplets or snow particles. Ice build-up on overhead transmission and distribution lines may lead to mechanical failure or insulator flashover, sometimes resulting in power outages with major socioeconomic consequences. The present study focused on the preparation of heterogeneous coatings (HCs) with hydro- and icephobic properties presenting a number of advantages, such as easy application, time-saving and low cost. The homo- and HCs were prepared by using different methods such as self-assembly, nanoparticles-based and Plasma-based techniques. Super-hydrophobic coatings with very low wetting hysteresis are also considered to be icephobic. However, even super-hydrophobic coatings can deteriorate during successive icing/de-icing cycles, and this can lead to ice mechanical anchoring since liquid water penetrates the porous surface. Additionally, the cost and complexity involved in the fabrication of such coatings as micro and nano roughness is created, constitute other hurdles. In this study HCs are considered as a coating including hydrocarbons and fluorocarbons, while purely hydrocarbons or fluorocarbons coatings are considered as the homogeneous coatings. It was shown by applying different functions (both C-F and C-H) the surface energy is decreased more compared to applying only one function (C-F or C-H alone). It should be noted that the water molecule orientations at the surfaces of the fluorocarbon and hydrocarbon groups were completely different. As a result, by inducing or creating various disparities (hydrocarbons and fluorocarbons) in terms of energy bonding, and water molecule orientation at the molecular level, the ice-solid interface is weakened. The wettability measurement of the HCs showed higher water contact angle (CA) values and smaller water contact angle hysteresis (CAH) values compared to homogeneous coatings. The most important consequence of HCs preparation, via different methods, was observed in low contact angle hysteresis (CAH) values. The prepared HCs by self assembled monolayers (SAMs), nanoparticles and “masked” plasma sputtering methods resulted in reducing the ice adhesion strength by factors of ~ 3, ~ 1.7 and ~ 1.3 times, respectively, compared to a polished aluminum sample. The durability of coatings was studied under accelerated aging conditions such as UV degradation, several icing/de-icing cycles and immersion in distilled water and different pH solutions. Consequently, based on results obtained it was observed that the HCs are more stable under accelerated aging conditions compared to homogeneous coatings.

L’adhésion et l’accumulation de la glace atmosphérique sur une structure se produisent lorsque celle-ci entre en contact avec des gouttelettes d'eau surfondues ou des flocons de neige. Une accumulation importante de glace ou de neige collante sur les lignes de transport et de distribution de l’énergie électrique peut parfois conduire à des bris mécaniques des équipements de ces lignes ou au contournement d'isolateurs, entraînant parfois des coupures de courant ayant des conséquences socio-économiques désastreuses. Les revêtements superhydrophobes à très faible hystérésis de mouillage sont considérés comme glaciophobes. Toutefois, les revêtements superhydrophobes sont susceptibles de se dégrader à la suite de cycles de glaçage/déglaçage successifs. Ceci peut conduire à l’ancrage mécanique de la glace à la surface, causé par la pénétration et la solidification de l’eau liquide dans la surface poreuse. De plus, le coût et la complexité de la création de micro- et nano-rugosités constituent d'autres obstacles pour la fabrication de ces revêtements. Ce travail porte sur la préparation de revêtements hétérogènes avec des propriétés hydrophobes et glaciophobes qui présentent certains avantages, notamment la facilité d’application, des gains de temps et de plus faibles coûts de fabrication. Dans cette étude, les revêtements hétérogènes sont considérés comme des revêtements contenant à la fois des hydrocarbures et des fluorocarbures tandis que les revêtements, incluant une seule/ de ces substances sont considérés comme des revêtements homogènes. Les revêtements homogènes et hétérogènes ont été préparés en utilisant différentes techniques. Il a été démontré que l'application de deux couches successives d’hydrocarbures puis fluorocarbures diminue l'énergie de surface comparativement à l'application d'une seule couche hydrocarbures ou bien fluorocarbures. Il convient de noter que l’orientation de la molécule d'eau à la surface des groupes hydrocarbures et fluorocarbures est complètement différente. En conséquence, en facilitant et en créant certaines disparités impliquant les hydrocarbures et les fluorocarbures en terme de force de liaison et d’orientation des molécules d’eau, il se produit un affaiblissement de l’adhésion à l’interface glace-solide. Les propriétés hydrophobes des revêtements hétérogènes ont montré un angle de contact statique plus élevé et un angle de contact d’hystérésis plus faible comparativement à ceux observés avec des revêtements homogènes. Les revêtements hétérogènes préparés par les monocouches auto-assemblées, les nanoparticules et les méthodes de pulvérisation de plasma "masqué" ont permis de réduire la force d'adhérence de la glace sur une surface d’aluminium revêtue de ~ 3, ~ 1.7 et ~ 1.3 fois, respectivement, comparativement à un échantillon d’aluminium poli non protégé. La stabilité des revêtements a été étudiée dans des conditions de vieillissement accéléré incluant l’exposition aux UV, la succession de cycles de givrage / dégivrage ainsi que l'immersion dans l'eau distillée et dans des solutions avec différentes valeurs de pH. Il a été observé que les revêtements hétérogènes sont plus stables par rapport aux revêtements homogènes lorsqu’ils sont soumis à des conditions de vieillissement accéléré similaires.

Type de document:Thèse ou mémoire de l'UQAC (Thèse de doctorat)
Date:Octobre 2015
Lieu de publication:Chicoutimi
Programme d'étude:Doctorat en ingénierie
Nombre de pages:155
ISBN:Non spécifié
Sujets:Sciences naturelles et génie > Génie > Génie des matériaux et génie métallurgique
Sciences naturelles et génie > Génie > Génie chimique
Département, module, service et unité de recherche:Départements et modules > Département des sciences appliquées > Programmes d'études de cycles supérieurs en ingénierie
Directeur(s), Co-directeur(s) et responsable(s):Farzaneh, Masoud
Jafari, Reza
Mots-clés:propriétés glaciophobes, propriétés hydrophobes, revêtements hétérogènes, revêtements homogènes, revêtements superhydrophobes, stabilité des revêtements
Déposé le:04 mars 2016 08:19
Dernière modification:08 mars 2016 03:23
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