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

Synthèse et caractérisation des revêtements superhydrophobes à base d’aluminium pour une protection active contre la corrosion des substrats métalliques

Xu Wei. (2018). Synthèse et caractérisation des revêtements superhydrophobes à base d’aluminium pour une protection active contre la corrosion des substrats métalliques. Mémoire de maîtrise, Université du Québec à Chicoutimi.

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Résumé

Les métaux comme le cuivre, l'aluminium et l'acier ont de larges applications dans les industries, mais aucun métal n'est à l'abri de la corrosion dans tous les environnements. La corrosion est causée par des réactions chimiques entre le métal et les gaz ou des liquides dans le milieu environnant. Il est extrêmement important d'étudier les méthodes de prévention de la corrosion. Aujourd'hui, la fabrication de revêtements superhydrophobes sur le métal par électrodéposition est devenue une technique de prévention de la corrosion simple mais efficace. Les métaux comme le zinc, l'aluminium ou le magnésium ont les potentiels électrochimiques les plus négatifs et peuvent généralement être utilisés comme anodes sacrificielles pour protéger les métaux cathodiques contre la corrosion. Les revêtements organiques peuvent également être utilisés pour protéger les métaux de l'effet de dégradation des gaz environnementaux. Ainsi, dans cette étude, la tentative de synthèse de revêtements organiques superhydrophobes à base d'aluminium peut être considérée prometteuse pour protéger les substrats métalliques contre la corrosion. Dans ce projet, des revêtements superhydrophobes de stéarate d'aluminium (AlSA) à base d'aluminium sont fabriqués par un procédé d'électrodéposition en une étape sur des substrats métalliques. Les caractéristiques morphologiques observées par microscopie électronique à balayage (MEB) indiquent que les revêtements sont constitués de particules à l'échelle micrométrique. En outre, les compositions chimiques de ces revêtements analysés par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) ainsi que la spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie (EDS) confirment la présence de Al ainsi que des radicaux méthyle, éthyle et polyéthyle. Une condition électrophorétique optimale qui permet l’obtention du plus grand angle de contact (161° ± 1°) et de la plus petite hystérésis d’angle de contact (2° ± 1°) a été trouvée à un potentiel électrique d'environ 30 V pour d'un temps de dépôt de 10 minutes et lorsque le ratio molaire Al/SA est de 0.33 dans la solution. La résistance à la polarisation et la résistance au transfert de charge du cuivre revêtu de stéarate d'aluminium superhydrophobe s'avèrent être plus grandes que celles du substrat de cuivre nettoyé. Pour améliorer la performance anticorrosion des revêtements superhydrophobes à base d'aluminium, des nanoparticules d'oxyde de zinc et une solution de nitrate de zinc ont été ajoutées dans l'électrolyte respectivement pour fabriquer les revêtements de stéarate d'aluminium modifiés sur des substrats métalliques par électrodéposition pour l'analyse des capacités de prévention de la corrosion. Les revêtements superhydrophobes de stéarate d'aluminium incorporés au Zn (Zn-AlSA) se sont révélés avoir de meilleures performances anticorrosion que les revêtements de stéarate d'aluminium modifié ZnO (ZnO-AlSA) sur des substrats de cuivre. Les caractéristiques morphologiques des revêtements Zn-AlSA observés par microscopie électronique à balayage démontrent que la rugosité de la surface du revêtement augmente avec le temps de dépôt. L'analyse spectroscopique par rayons X à dispersion d'énergie confirme la présence de l'atome Al et Zn dans le revêtement. La composition chimique du revêtement analysé par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier montre les groupes fonctionnels distinctifs de -COOAl et -COOZn. La condition de préparation optimale sur des substrats de cuivre avec le temps de dépôt de 10 min a été trouvée lorsque la teneur en zinc dans l'électrolyte est de 15.7%, un tel revêtement montre une propriété de roulement d'eau supérieure, fournissant l'angle de contact maximal de 158°. On observe également que les résistances de polarisation et les résistances de transfert de charge déterminées à partir des courbes de Tafel et des tracés de Nyquist des revêtements sur des substrats de cuivre augmentent avec le temps de dépôt. Le revêtement Zn-AlSA superhydrophobe préparé sur substrat d'aluminium avec une condition de préparation optimale offre une propriété anticorrosion supérieure pour le substrat en alliage d'aluminium avec une résistance de transfert de 5 MΩ·cm2 et une résistance de polarisation de 4 MΩ·cm2 lorsque le temps d'immersion est de 96 h. Le revêtement de stéarate d'aluminium superhydrophobe et le revêtement d'aluminium incorporé au Zn préparés par électrodéposition peuvent fournir une excellente prévention de la corrosion pour les substrats métalliques, ce qui indique que les revêtements à base d'aluminium superhydrophobe ont l'application anticorrosion possible dans l'industrie.

Metals like copper, aluminium and steel have wide applications in industries, however, no metal is immune to corrosion in all environments. Corrosion is caused by chemical reactions between metal and gasses or liquids in the surrounding environment. It is extremely important to investigate corrosion prevention methods. Nowadays, fabrication of superhydrophobic coatings on metal via electrodeposition has become a simple but effective corrosion prevention technique. Metals like zinc, aluminium or magnesium have the most negative electrochemical potentials and can generally be used as sacrificial anodes to protect cathodic metals against corrosion. Organic coatings can also be used to protect metals from the degradative effect of environmental gasses. Thus, in this study, the attempt of synthesizing superhydrophobic aluminium based organic coatings can be found promising to protect metal substrates against corrosion. In this project, Al-based superhydrophobic aluminium stearate (AlSA) coatings are fabricated by one-step electrodeposition process on metallic substrates. The morphological features observed by scanning electron microscopy (MEB) indicate that the coatings are composed of micro-nano scale particles. Furthermore, the chemical compositions of these films analyzed by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) as well as energy dispersive x-ray spectroscopy (EDS) confirm the presence of Al as well as methyl, ethyl and polyethyl radicals in the coatings. An optimum electrodeposition condition that provides the highest water contact angle (161° ± 1°) and the lowest contact angle hysteresis (2° ± 1°) is found to be around 30 V with a coating time of 10 min when the concentration of Al/SA molar ratio is 0.33 in the solution. The polarization resistance and charge transfer resistance of superhydrophobic aluminium stearate coated copper are found to quite larger than cleaned copper substrate. To enhance the anticorrosion performance of superhydrophobic aluminium-based coatings, zinc oxide nanoparticles and zinc nitrate solution were added into electrolyte respectively to fabricate the modified aluminium stearate coatings on metal substrates by electrodeposition to analyze corrosion prevention abilities. The superhydrophobic Zn-incorporated aluminium stearate (Zn-AlSA) coatings are proved to have better anticorrosion performance than the ZnO modified aluminium stearate (ZnO-AlSA) coatings on copper substrates. The morphological features of Zn-AlSA coatings observed by scanning electron microscopy demonstrate that the coating surface roughness increases with the deposition time. Energy dispersive X-ray spectroscopy analysis confirms the presence of atom Al and Zn in the coating. The chemical composition of the coating analyzed by Fourier transform infrared spectroscopy shows the distinguishable functional groups of -COOAl and -COOZn. The optimum preparation condition on copper substrates with the coating time of 10 min was found when the zinc content in the electrolyte is 15.7%, such coating shows superior water roll off property, providing the maximum contact angle of 158°. It is also observed that the polarization resistance and charge transfer resistance determined from the Tafel curves and the Nyquist plots of the coatings on copper substrates increase with the coating time. Superhydrophobic Zn-AlSA coating prepared on aluminium substrate with the optimum preparation condition provides superior anticorrosion property for aluminium alloy substrate with the charge transfer resistance is 5 MΩ·cm2 and the polarization resistance of 4 MΩ·cm2 when the immersion time is 96 h. Both superhydrophobic aluminium stearate coating and Zn-incorporated aluminium coating prepared by electrodeposition can provide excellent corrosion prevention for metal substrates, which indicates that superhydrophobic aluminium-based coatings have the prospect anticorrosion application in industry.

Type de document:Thèse ou mémoire de l'UQAC (Mémoire de maîtrise)
Date:Avril 2018
Lieu de publication:Chicoutimi
Programme d'étude:Maîtrise en ingénierie
Nombre de pages:149
ISBN:Non spécifié
Sujets:Sciences naturelles et génie > Génie > Génie des matériaux et génie métallurgique
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:Al-based, anticorrosion, EIS, electrodeposition, revêtement, superhydrophobic, superhydrophobes, revêtements, à base d'aluminium
Déposé le:30 mai 2018 16:23
Dernière modification:06 juin 2018 15:41
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