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Constellation, le dépôt institutionnel de l'Université du Québec à Chicoutimi

Durable nanostructured superhydrophobic coatings on aluminum alloy substrates

Xiong Jiawei. (2016). Durable nanostructured superhydrophobic coatings on aluminum alloy substrates. Mémoire de maîtrise, Université du Québec à Chicoutimi.

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Résumé

Superhydrophobic thin films based on metal substrateshas attracted great attention due to a wide range of applications in the industry including anti-corrosion, anti-icing and self-cleaning surfaces. Recently, numerous methods have been reported to prepare superhydrophobic thin films but most of them will be destroyed or degrade quickly when applied outdoor or in harsh environments. Therefore, it is extremely important to develop durable superhydrophobic thin films, especially considering the properties of corrosion resistance, Ultra-Violet (UV) durabilityand mechanical durability. In this project, superhydrophobic cobalt stearate thin films with excellent anti-corrosion properties were successfully fabricated on aluminum substrates via a simple, electrodeposition process. The correlation between the surface morphology, composition as well as wetting properties and the molar ratio of inorganic cobalt salt/organic stearic acid in the electrolyte were studied carefully.The optimum superhydrophobic surface formed on the cathodic aluminum substrate was found to have a maximum contact angle of 161o and the largest polarization resistance of 1591 kΩ cm2, indicating an excellent barrier against chemical corrosion. Electrical equivalent circuits have been suggested to better understand the corrosion principals on the interface based on the data from the corresponding electrochemical impedance spectroscopy (EIS). In the aspect of UV durable superhydrophobic thin films, the electrodeposited superhydrophobic cobalt stearate thin films as mentioned above were found to be UV durable as the roll-off properties sustain in the period of two months’ accelerated UV degradation test. Furthermore, inspired from this finding, another novel superhydrophobic nanocomposite thin films have been successfully fabricated on aluminum substrates by embedding cobalt stearate (CoSA)-covered TiO2 nanoparticles in a hydrophobic polymethyl-hydrosiloxane (PMHS) matrix (PMHS/TiO2@CoSA) utilizing the sol-gel process. Compared to sharp decreases of water contact angle on the superhydrophobic PMHS/TiO2 thin films (without CoSA), the PMHS/TiO2@CoSA superhydrophobic thin films exhibited a nearly constant water contact angle of 160o under continuous UV irradiation for more than one month. The designed scheme of TiO2@CoSA core-shell structure not only increases the hydrophobic properties TiO2 nanoparticles surface,but also confined the photocatalytic efficiency of TiO2 nanoparticles. A plausible model has been suggested to explain the UV durable mechanism. In addition, to improve the adhesion strength of superhydrophobic nanocomposite PMHS/TiO2@CoSA thin films, the thin self-assembled monolayers (SAM) of GPTS were deposited on the surface of aluminum substrates. The presence of SAM was confirmed by ATR-FTIR, EDX as well as EIS studies. The adhesion strength was expected to be improved by the formation of chemical bondings due to the presence of SAM. But both of the results were found to be 2B between the substrates of as-received aluminum and SAM modified aluminum following the (ASTM) D 3359-02 adhesion test. However, a few improvements on adhesion strength could be detected by comparing the surfaces on as-received aluminum and SAM modified aluminum substrates after the removal of adhesive tape. It is believed that this project will contribute to a better understanding of superhydrophobic phenomena as well as realizing the application of superhydrophobic surfaces in the industrial world.

Les couches minces superhydrophobes déposées sur des substrats métalliques ont suscité beaucoup d’attention vu leurs nombreuses applications industrielles comme les revêtements anticorrosifs et antigivrants ainsi que les surfaces autonettoyantes. Ces derniers temps, de nombreuses méthodes d’élaboration de couches minces ont été proposées. Cependant, la plupart des couches obtenues se détruisent ou se dégradent assez rapidement lorsqu’elles sont utilisées à l’extérieur ou exposées à des conditions sévères. Par conséquent, il est très important de développer des couches minces superhydrophobes résistantes ayant de bonnes propriétés anticorrosion et anti ultraviolet ainsi qu’une bonne résistance mécanique. Dans ce projet, des couches minces superhydrophobes de stéarate de cobalt, ayant de très bonnes propriétés anticorrosion, ont été élaborées avec succès par électrodéposition sur un substrat d’aluminium. Ensuite, les corrélations entre les propriétés de la surface (morphologie, composition et mouillabilité) et le rapport molaire sel de cobalt inorganique/acide stéarique organique dans l’électrolyte ont été étudiées minutieusement. Il a été observé que la surface superhydrophobe optimale, formée sur un substrat d’aluminium cathodique, possède l’angle de contact maximal de 161° et la résistance de polarisation la plus élevée de 1591kΩ cm2, offrant ainsi une excellente barrière contre la corrosion. Afin de mieux comprendre les principes de la corrosion à l’interface, un circuit électrique équivalent a été proposé en se basant sur les données obtenues par spectroscopie d’impédance électrochimique (EIS). Par ailleurs, il a été observé que le dépôt électrolytique superhydrophobe de stéarate de cobalt possède une bonne résistance aux rayonnements ultraviolets (UV). En effet, après un test de dégradation accélérée par UV de deux mois, les propriétés hydrophobes des couches minces ne se sont pas altérées. En se basant sur ces résultats, d’autres couches minces innovantes, faites à partir dépôts nanocomposites superhydrophobes, ont été fabriquées avec succès sur des substrats d’aluminium. Pour cela, des nanoparticules de TiO2 revêtues de stéarate de cobalt (CoSA) ont été incorporées dans une matrice de polyméthyle-hydrosiloxane (PMHS) superhydrophobe (PMHS/TiO2@CoSA) en utilisant le procédé sol-gel. Alors que les couches minces superhydrophobes de PMHS/TiO2 (sans CoSA) montrent une diminution rapide de l’angle de contact avec l’eau après irradiation continue par rayonnement UV pendant plus d’un mois, les couches de PMHS/TiO2@CoSA conservent un angle quasi-constant de 160°. La structure en noyau-enveloppe de TiO2@CoSA permet non seulement d’augmenter les propriétés hydrophobiques de la surface des nanoparticules TiO2, mais aussi de limiter leur activité photocatalytique. Un modèle plausible a été proposé pour expliquer les mécanismes de résistance aux UV. En outre, afin d’améliorer l’adhérence des couches minces nanocomposites superhydrophobes PMHS/TiO2@CoSA, des monocouches auto-assemblées (SAM) de GPTS ont été déposées sur des substrats d’aluminium. La présence des SAM a ensuite été confirmée par des analyses ATR-FTIR, EDX ainsi que EIS. Il a été espéré que les SAM améliorent l’adhérence au substrat par la formation de liaisons chimiques. Cependant, Les tests sur des substrats non-traités et des substrats traités par SAM montrent, dans les deux cas, une adhérence de type 2B selon la norme ASTM D 3359-02. Néanmoins, une légère amélioration peut être observée en comparant les surfaces non traitées à celle traitées par SAM après l’enlèvement du ruban adhésif. Ce projet contribuera à une meilleure compréhension des phénomènes superhydrophobiques ainsi qu’à la réalisation des applications des surfaces superhydrophobes dans le monde industriel.

Type de document:Thèse ou mémoire de l'UQAC (Mémoire de maîtrise)
Date:Octobre 2016
Lieu de publication:Chicoutimi
Programme d'étude:Maîtrise en ingénierie
Nombre de pages:173
ISBN:Non spécifié
Sujets:Sciences naturelles et génie > Génie > Génie des matériaux et génie métallurgique
Sciences naturelles et génie > Génie > Génie industriel
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):Sarkar, Dilip K.
Chen, X-Grant
Mots-clés:aluminum alloy, corrosion resistance, nanostructure, superhydrophobic, surface engineering, UV degradation, aluminum, water contact angle, corrosion, self-assembled monolayer, spin-coating, electrodeposition, surface
Déposé le:19 avr. 2017 08:07
Dernière modification:06 juin 2017 20:26
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