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Superhydrophobic silicone-based nanocomposites for application to high voltage insulator

Vazirinasab Elham. (2020). Superhydrophobic silicone-based nanocomposites for application to high voltage insulator. Thèse de doctorat, Université du Québec à Chicoutimi.

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Résumé

Wettability is one of the fundamental characterizations of each solid surface which might affect the final surface properties in different manners. In the light of various Mother Nature’s masterpieces, specifically Lotus leaves, as a symbol of purity, the nature-inspired superhydrophobic surfaces have received immense attention. In the present thesis, two different approaches are opted to effectively create artificial self-cleaning/superhydrophobic surfaces to enhance the water-repellency of the engineered silicone rubber and Teflon materials. Firstly, the atmospheric-pressure plasma treatment was used to produce self-cleaning/superhydrophobic high-temperature vulcanized silicone rubber (HTV-SR) surfaces via etching technique. This approach is significant since the use of an atmospheric-pressure plasma system as a simple, fast and environmentally friendly technique is combined with compressed air as an eco-friendly plasma gas which offers great potential for the mass production of superhydrophobic surfaces in an industrial scale. Using plasma treatment, a substantial enhancement in the water-repellency of HTV-SR surfaces, i.e., static water contact angle (WCA) >160° and a contact angle hysteresis (CAH) <3°, was attained due to the formation of coral-like micro-nanostructures on the surface. Possessing the appropriate surface structures depends highly on the composition of plasma jet affected by plasma operating parameters. Thus, the role of significant plasma operating parameters on the surface water-repellency was assessed with the help of a design of experiment (DoE) method to determine the near-optimal operating parameters. The icephobic properties are divided into two categories of anti-icing and de-icing properties. Anti-icing properties correspond to the delay in the ice formation, while de-icing properties illustrate the reduction of the adhesion strength of the ice formed on the surface. The well-known ice adhesion measurement techniques, i.e., the centrifuge adhesion and push-off tests, were used to provide quantitative comparisons of the ice adhesion strength of the produced surfaces. The delayed ice formation and considerable low ice adhesion strength of the plasma-treated superhydrophobic HTV-SR surface confirmed their desirable icephobicity. However, the robustness of the superhydrophobic surfaces can be considered as the Achilles heel toward industrialization and real-life applications. To ensure long-lasting superhydrophobic properties, the mechanical durability and chemical stability of the produced superhydrophobic surface were rigorously evaluated. Although the produced surface preserved its water-repellent properties in multiple tests, under some harsh mechanical damages, the superhydrophobic properties were reduced. Secondly, regarding the poor mechanochemical robustness of superhydrophobic surfaces susceptible to damage, a non-fluorinated volumetric superhydrophobic nanocomposite was produced through embedding diatomaceous earth and fumed silica particles into the HTV-SR matrix. The volumetric superhydrophobic nanocomposite is a new concept in fabrication of damage-tolerant superhydrophobic surfaces where each face and every layer of the nanocomposites is superhydrophobic. Given the importance of the diatomaceous earth/fumed silica mass ratio in final surface structure and crosslinking density of the nanocomposite, an in-depth assessment of the water-repellency, crosslinking density, and hardness of the produced nanocomposites was accomplished as a function of various diatomaceous earth to fumed silica mass ratios. Regarding the surface robustness, multiple severe mechanical and chemical tests were conducted including sandpaper and knife scratching, tape peeling, water jet impact, and sandblasting after which the surface retained its initial water-repellency. Moreover, even if during mechanical and/or chemical damages, the superhydrophobicity of the nanocomposite was deteriorated, the water-repellency could be restored by removing the outermost layer. It was due to the presence of embedded low surface energy micro-nanostructures within the entire body of the nanocomposite. Thirdly, to scrutinize the potential application of plasma treatment approach to various polymers, a thermoplastic insulating material, i.e., polytetrafluoroethylene (PTFE) commercially known as Teflon, was selected to fabricate superhydrophobic surfaces. The produced superhydrophobic Teflon surfaces possessed ultra-water-repellency, icephobicity, and self-cleaning. Although the plasma treatment did not alter the chemical composition of the Teflon surface, the lotus leaf-like hierarchical micro-nanostructures created on the plasma-treated surface were responsible for its surface water-repellency. Both water droplet rolling off and impact test ascertained the significant role of the hierarchical micro-nanostructures on the surface water-repellency as well as the consistency of Cassie-Baxter regime. In addition to the self-cleaning properties, the micro-nanostructured Teflon surface substantially reduced the ice adhesion strength to a content that the produced surface could be categorized as a passive anti-icing surface. Moreover, the onset of freezing of a water droplet was reduced on the superhydrophobic surface due to the presence of air pockets trapped within its surface asperities. The approaches introduced in this thesis can be implemented in different industries as they are cost-effective, quickly adaptable, and environmentally friendly methods.

La mouillabilité est l'une des caractéristiques fondamentales de chaque surface solide qui peut affecter de différentes manières les propriétés finales de surface. À la lumière de divers chefs-d'oeuvre de Mère Nature, particulièrement les feuilles de lotus, en tant que symbole de pureté, les surfaces superhydrophobes inspirées de la nature ont reçu une immense attention. Dans la présente thèse, deux approches distinctes sont choisies pour créer efficacement des surfaces autonettoyantes / superhydrophobes. Ces surfaces possèdent une excellente hydrofugation pour améliorer la durée de vie de différents matériaux d'ingénierie tels que le caoutchouc de silicone et le Teflon. Dans un premier temps, le traitement au plasma à pression atmosphérique a été utilisé pour produire des surfaces autonettoyantes / superhydrophobes de caoutchouc de silicone vulcanisé à haute température (HTV-SR) via une technique de gravure. Cette approche est importante car l'utilisation d'un système plasma à pression atmosphérique est une technique simple, rapide et respectueuse de l'environnement. Ainsi utilisé l'air comprimé en tant que gaz écologique à plasma, cette technique offre un grand potentiel pour la production des surfaces superhydrophobes à grande échelle. Grâce au traitement au plasma, une amélioration substantielle de l'hydrofugation des surfaces HTV-SR (c'est-à-dire un angle de contact statique avec l'eau (WCA)> 160° et une hystérésis d'angle de contact (CAH) <3°) a été obtenue en raison de la formation de surfaces micro-nanostructurées semblables au corail. L’obtention des structures de surface appropriées dépend fortement de la composition du jet de plasma affectée par ses propres paramètres de fonctionnement. C’est pourquoi le rôle des paramètres opératoires de plasma sur la répulsion de l'eau de surface a été évalué à l'aide d'un plan d’expérience (DoE) pour déterminer les paramètres quasi optimaux. Les propriétés glaciophobes sont divisées en deux catégories de propriétés d'antigivrage et de dégivrage. Les propriétés d'antigivrage correspondent au retard de la formation de glace, tandis que les propriétés de dégivrage se rapportent à la diminution de force d'adhérence de glace formée à la surface. Les techniques bien connues de mesure de l'adhérence de la glace, c'est-à-dire les tests d'adhérence par centrifugation et de poussée (push-off), ont fourni des comparaisons quantitatives de la force d'adhérence à la glace des surfaces produites. Le retard de la formation de glace et la force d'adhérence à la glace considérablement faible de la surface HTV-SR superhydrophobe traitée au plasma ont confirmé une amélioration de leur propriété glaciophobe. Cependant, la robustesse des surfaces superhydrophobes peut être considérée comme le talon d'Achille vers l'industrialisation et les applications dans la situation réelle. Pour garantir des propriétés superhydrophobes durables, la résistivité chimique ainsi que la durabilité mécanique de la surface superhydrophobe produite ont été rigoureusement évaluées. Bien que la surface produite ait conservé ses propriétés hydrofuges dans de nombreux tests, les surfaces ont perdu leurs propriétés superhydrophobes sous certains dommages mécaniques sévères. Dans un second temps, en égard à la mauvaise durabilité mécanique et chimique des surfaces superhydrophobes qui sont susceptibles d'être endommagées, un nanocomposite superhydrophobe volumétrique et non fluoré a été produit. Il s’est fait par intégration de la terre de diatomée et des particules de silice pyrogénée dans la matrice HTV-SR. Le nanocomposite superhydrophobe volumétrique est un nouveau concept dans la fabrication de surfaces superhydrophobes tolérantes aux dommages où toutes leurs faces et couches sont superhydrophobes. Le rapport massique entre les terres de diatomées et la silice pyrogénée dans la structure de surface finale et la densité de réticulation du nanocomposite est très important. Fort de cela, une évaluation approfondie de l'hydrofugation, de la densité de réticulation et de la dureté des nanocomposites produits a été indiquée en fonction de ce rapport massique. En ce qui concerne la robustesse de la surface, plusieurs tests mécaniques et chimiques sévères ont été effectués. Il s’agit entre autres, de l’utilisation du papier abrasif, le grattage au couteau, le décollement au ruban, l'impact au jet d'eau et le sablage. Ces résultats montrent que la surface a conservé sa propriété de non-mouillabilité. De plus, même si lors de dommages mécaniques et / ou chimiques, la superhydrophobicité du nanocomposite était détériorée, l'hydrofugation pourrait être restaurée en enlevant la couche la plus externe. Cela est dû à la présence de micro-nanostructures intégrées à faible énergie de surface dans tout le corps du nanocomposite. Enfin, pour examiner l'application potentielle de cette approche de traitement au plasma sur divers polymères, un matériau isolant thermoplastique, à savoir le polytétrafluoroéthylène (PTFE, Teflon), a été sélectionné pour fabriquer des surfaces superhydrophobes. Les surfaces en Téflon superhydrophobes produites possédaient des propriétés ultra-hydrofuges, glaciophobicités et auto-nettoyantes. Bien que le traitement au plasma n'ait pas modifié la composition chimique de surface du téflon, les micro-nanostructures hiérarchiques en forme de feuille de lotus créées sur la surface traitée au plasma étaient responsables de sa résistance à l'eau de surface. Le roulage des gouttelettes d'eau et le test d'impact ont permis de vérifier le rôle important des micro-nanostructures hiérarchiques sur l’hydrophobicité et la stabilité du régime de Cassie-Baxter. En plus de ses capacités autonettoyantes, la surface de Teflon développée a montré la réduction de la force d’adhésion de la glace de sorte qu’elle soit qualifiée de surface passive antigivrante. Un retard du temps congélation des gouttelettes d’eau sur les surfaces superhydrophobes a également été observé en raison de la présence de poches d’air piégées dans les aspérités de surfaces.

Type de document:Thèse ou mémoire de l'UQAC (Thèse de doctorat)
Date:2020
Lieu de publication:Chicoutimi
Programme d'étude:Doctorat en ingénierie
Nombre de pages:187
ISBN:Non spécifié
Sujets:Sciences naturelles et génie > Génie > Génie chimique
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):Momen, Gelareh
Jafari, Reza
Mots-clés:icephobicity, mechanochemical robustness, plasma treatment, silicone rubber, superhydrophobic nanocomposite, superhydrophobicity, water-repellency, atmospheric-pressure plasma system, volumeric superhydrophobic nanocomposite, micro-nanostructures, self-cleaning
Déposé le:09 févr. 2021 08:42
Dernière modification:12 févr. 2021 00:05
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