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

Development of an organosilicon-based superhydrophobic/icephobic surface using an atmospheric pressure plasma jet

Asadollahi Siavash. (2017). Development of an organosilicon-based superhydrophobic/icephobic surface using an atmospheric pressure plasma jet. Thèse de doctorat, Université du Québec à Chicoutimi.

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Résumé

During the past few decades, plasma-based surface treatment methods have gained a lot of interest in various applications such as thin film deposition, surface etching, surface activation and/or cleaning, etc. Generally, in plasma-based surface treatment methods, high-energy plasma-generated species are utilized to modify the surface structure or the chemical composition of a substrate. Unique physical and chemical characteristics of the plasma along with the high controllability of the process makes plasma treatment approaches very attractive in several industries. Plasma-based treatment methods are currently being used or investigated for a number of practical applications, such as adhesion promotion in auto industry, wound management and cancer treatment in biomedical industry, and coating development in aerospace industry. In this study, a two-step procedure is proposed for the development of superhydrophobic/icephobic coatings based on atmospheric-pressure plasma treatment of aluminum substrates using air and nitrogen plasma. The effects of plasma parameters on various surface properties are studied in order to identify the optimum conditions for maximum coating efficiency against icing and wetting. In the first step, the interactions between air or nitrogen plasma and the aluminum surface are studied. It is shown that by reducing jet-to-substrate distance, air plasma treatment, unlike nitrogen plasma treatment, is capable of creating micro-porous micro-roughened structures on the surface, some of which bear a significant resemblance to the features observed in laser ablation of metals with short and ultra-short laser pulses. The formation of such structures in plasma treatment is attributed to a transportation of energy from the jet to the surface over a very short period of time, in the range of picoseconds to microseconds. This energy transfer is shown to occur through a streamer discharge from the rotating arc source in the jet body to a close proximity of the surface, and then through multiple seemingly random electric arcs on the surface. The formation of these discharges is facilitated by the near-infinite conductivity of the air plasma column. The micro-porous micro-roughened structure developed in this step is then used as the substrate for coating deposition. In the next step, first the plasma jet is slightly modified with a quartz tube surrounding the jet-head. This modification allows for ignition and maintenance of a very weak plasma while hindering the diffusion of oxygen into the plasma and thus increasing the amount of organic deposition on the surface. This is confirmed by the chemical characterization of the surfaces developed using the modified jet. Furthermore, it is shown that this modification can significantly affect surface morphology, leading to a finer surface structure with different levels of roughness. Hydrophobic materials are then deposited on the surface in the presence of HMDSO using nitrogen plasma. Several samples are prepared with different precursor flow rates, plasma generation powers and number of deposition passes. All coatings are characterized regarding their surface morphology, chemical composition, wetting behavior and icephobic characteristics. It is shown that at low precursor flow rates, coating deposition is not enough for a full coverage of the surface. On the other hand, at high flow rates coating deposition can completely cover the surface features originated from the air plasma treatment process, thus negating the effects of an important roughness level. At the median flow rate, which was identified to be 5 g/h, the coating can fully cover the surface while maintaining the pre-existing surface features. It is also shown that by increasing the number of plasma deposition passes, surface features become slightly larger while the amount of organic deposition on the surface increases. Finally, it is shown that in high plasma generation powers, the amount of oxide deposition on the surface increases, leading to lower contact angles and higher ice adhesion strengths. In order to estimate coatings’ efficiency in practical applications, coating’s stability against some environmental factors is studied. At first, the effects of multiple icing/deicing cycles on surface properties is investigated. SEM studies confirm the removal of the coating material from the surface in all cases after multiple icing/deicing cycles. However, it is shown that the sample resulting from the lowest generation power combined with median flow rate and 3 passes of plasma deposition can maintain its hydrophobicity and icephobicity for up to 10 cycles of icing/deicing. This sample is then exposed to an equivalent of up to 4 years of natural ultraviolet exposure and the effects of UV on surface properties were studied. It is suggested that ultraviolet exposure may be capable of reorganizing the organic functions in the coating structure, leading to shorter siloxane chains with denser methyl functionalization, thus affecting the wetting and icing behavior of the surface. Ice adhesion strength was shown to decrease significantly after the equivalent of 3 years of natural UV exposure. The procedure introduced in this thesis is a cheap, quick, and environmentally friendly method for development of superhydrophobic/icephobic coatings on aluminum substrates. Therefore, it can be easily implemented in several industrial applications where outdoor structures are expected to be exposed to severe icing events.

Durant les dernières décennies, les méthodes de traitement de surface à base de plasma ont suscité un grand intérêt pour plusieurs applications telles que le dépôt de films minces, la gravure, l'activation et/ou le nettoyage de surface, etc. En général, dans les méthodes de traitement de surface à base de plasma, des espèces générées par plasma à haute énergie sont utilisées pour modifier la structure de surface ou la composition chimique d'un substrat. Les caractéristiques physiques et chimiques uniques du plasma ainsi que la forte contrôlabilité du processus rendent le traitement par plasma très intéressant pour diverses industries. Les méthodes de traitement à base de plasma sont actuellement utilisées ou étudiées pour un grand nombre applications pratiques, comme par exemple la promotion de l'adhésion dans l'industrie automobile, le traitement des plaies et du cancer dans le domaine biomédical et le développement de revêtements dans l'industrie aérospatiale. Dans cette étude, une procédure en deux étapes a été proposée pour l’élaboration des revêtements superhydrophobes/glaciophobes basée sur le traitement au plasma à pression atmosphérique de substrats en aluminium utilisant un plasma d’air et d’azote. L’effet des paramètres du plasma sur diverses propriétés de la surface a été étudié pour identifier les conditions optimales pour obtenir un revêtement d’efficacité maximale contre le givrage et le mouillage. Dans la première étape, les interactions entre un plasma d’air ou d'azote et la surface d'aluminium ont été étudiées. Il a été démontré que, en réduisant la distance entre le jet et le substrat, le traitement par plasma d'air, à la différence du traitement par plasma d'azote, permet de créer une structure micro-rugueuse et microporeuse de la surface. Certaines de ces structures ont une ressemblance significative avec les caractéristiques observées par le traitement utilisant l'ablation laser des métaux avec courtes et à ultra-courtes impulsions laser. La formation de telles structures dans le traitement par plasma est attribuée à un transfert d'énergie du jet à la surface sur une très courte période de temps, dans l’ordre de picosecondes à microsecondes. On a montré que ce transfert d'énergie est produit par une décharge du streamer de la source d’arc tournant dans le corps de la buse à proximité de la surface, et à travers de multiples arcs électriques aléatoires à la surface. La formation de ces décharges est facilitée par la conductivité quasi infinie de la colonne de plasma d'air. La structure microporeuse et micro-rugueuse développée dans cette étape est par la suite utilisée en tant que substrat pour le dépôt du revêtement. Dans l'étape suivante, le jet de plasma est d’abord légèrement modifié en plaçant un tube de quartz sur la tête du jet. Cette modification permet l'allumage et l'entretien d'un plasma très faible tout en empêchant la diffusion de l'oxygène dans le plasma, augmentant ainsi la quantité de dépôts organiques sur la surface. Ceci est confirmé par la caractérisation chimique des surfaces développées par le jet modifié. En outre, il a été démontré que la modification mentionnée ci-dessus peut affecter de manière significative la morphologie de la surface, conduisant ainsi à une fine structure de surface avec différents niveaux de rugosité. Les matériaux hydrophobes sont ensuite déposés sur la surface en présence de HMDSO à l’aide de plasma d'azote. Plusieurs échantillons sont préparés avec différents débits de précurseurs, de puissances d’alimentation de plasma, et de nombre de dépôts de couche. Tous les revêtements sont caractérisés selon la morphologie de la surface, la composition chimique, la mouillabilité ainsi que la glaciophobicité. Il a été noté que, pour de faibles débits de précurseurs, les dépôts de revêtement étaient insuffisants pour recouvrir toute la surface. D'autre part, pour des dépôts avec débits élevés, le revêtement pouvait recouvrir complètement les parties de la surface traitées au plasma à l’air, annulant ainsi les effets d’un niveau de rugosité élevé. Avec un débit moyen, de l’ordre de 5 g/h, le revêtement peut recouvrir complètement la surface tout en conservant les caractéristiques de la surface préexistante. Il a été également démontré que, en augmentant le nombre de couches de dépôt par plasma, les caractéristiques de la surface deviennent légèrement plus importantes tandis que la quantité de dépôt organique sur la surface augmente. Enfin, il a été démontré que, pour des puissances de plasma élevées, la quantité de dépôts d'oxyde sur la surface augmente, entraînant ainsi une réduction des angles de contact et une augmentation de la force d'adhésion de la glace. Afin d'évaluer l'efficacité de ces revêtements dans des applications pratiques, leur stabilité par rapport à certains facteurs environnementaux a été étudiée. Dans un premier temps, l’impact des cycles de givrage/dégivrage répétés sur les propriétés de surface a été étudié. Les résultats du MEB confirment l'élimination du revêtement de la surface dans tous les cas, après plusieurs cycles de givrage/dégivrage. Cependant, les résultats montrent que l'échantillon obtenu à partir de la plus faible puissance combinée avec un débit moyen et trois couches de dépôt plasma peut conserver son hydrophobicité et sa glaciophobicité jusqu'à 10 cycles de givrage/dégivrage. Cet échantillon a été exposé par la suite à un équivalent de 4 ans d'exposition aux rayons ultraviolets naturels et les effets des rayons UV sur les propriétés de surface ont été étudiés. Il a été suggéré que l’exposition aux rayons ultraviolets peut réorganiser les fonctions organiques dans la structure du revêtement, résultant en de plus courtes chaînes de siloxane avec une plus dense fonctionnalisation de méthyle, affectant ainsi le comportement de mouillage et de givrage de la surface. Une réduction significative de la force d’adhésion de la glace a été observée après un équivalent de 3 années d'exposition aux UV naturels. La procédure proposée dans cette thèse pour le développement de revêtements superhydrophobe/glaciophobes sur des substrats en aluminium est économique, rapide et respectueuse de l'environnement. Par conséquent, elle pourrait facilement être mise en oeuvre dans plusieurs applications industrielles où des structures extérieures seraient exposées à des périodes de givrage sévères.

Type de document:Thèse ou mémoire de l'UQAC (Thèse de doctorat)
Date:2017
Lieu de publication:Chicoutimi
Programme d'étude:Doctorat en ingénierie
Nombre de pages:160
ISBN:Non spécifié
Sujets:Sciences naturelles et génie > Génie > Génie chimique
Sciences naturelles et génie > Génie > Génie physique
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
Stafford, Luc
Mots-clés:APPJs, atmospheric icing, Plasma polymerization, plasma treatment, wetting, organosilicons, APPJ, polymérisation au plasma, givrage
Déposé le:14 juin 2017 08:21
Dernière modification:14 juin 2017 15:12
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