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

Résumé

La problématique du givrage pose différents défis dans divers industries, nécessitant un passage des surfaces anti-givre statiques passives aux technologies dynamiques anti-givre. Cette thèse de doctorat explore l'utilisation innovante des liquides ioniques (IL) et des solvants eutectiques profonds (DES) dans les surfaces dynamiques anti-givre, en réponse aux défis persistants et en repoussant les limites des solutions anti-givre actuelles. La première phase de cette recherche explore en profondeur l'utilisation des liquides ioniques à température ambiante (RT-IL) dans les surfaces dynamiques pour les applications anti-givre. En incorporant des IL dans des revêtements à base de PDMS, l'étude établit une relation entre le comportement anti-givre et les propriétés physico-chimiques des IL. La chimie de surface des revêtements et la présence de groupes distinctifs des anions des IL à la surface des revêtements sont caractérisées par spectroscopie infrarouge à transformer de Fourier en réflexion totale atténuée (ATR-FTIR) et confirmées par spectroscopie photoélectronique X (XPS) et analyse par microscopie électronique à balayage avec analyse de dispersion en énergie des rayons X (SEM/EDX). La présence des molécules d'eau fortement liées par des liaisons hydrogène ioniques retarde significativement la nucléation de la glace en limitant la croissance de la glace en addition de la réduction la force d'adhésion de la glace, ce qui met en évidence le potentiel des IL dans les applications anti-givre. La formation d'une couche quasi-liquide auto-lubrifiante (QLL) à l'interface mène à réduire la force d’adhésion de 60% à 70% tel que confirmé par spectroscopie RMN à l'état solide. Ces résultats soulignent l'influence significative de modifications mineures de la structure chimique des IL sur leur potentiel pour les applications anti-givre. La deuxième phase examine l'influence de l'hydrophobie de la matrice sur la mobilité des IL aux températures inférieures à zéro. Les tests de mouillabilité soulignent le rôle crucial de l’hydrophobicité des anions des IL, et la spectroscopie diélectrique distingue la mobilité ionique au sein des revêtements à basse température. L’effet de la variation de la densité de réticulation sur la mobilité ionique a été examiné en mesurant l'absorption d'eau. La mobilité accrue des ILs relargués de revêtements à des températures inférieures à zéro est confirmée par leur présence dans des solutions aqueuses puis validée par spectroscopie UV–vis, ce qui mène à une augmentation de la conductivité ionique. Les surfaces contenant des ILs montrent une réduction significative de la température de formation de la glace à -23,5 °C et une force d'adhésion de la glace extrêmement faible d'environ 15 kPa. La présence d'une couche de QLL à l'interface a confirmé par spectroscopie RMN à l'état solide. Les résultats soulignent l'importance de choisir la matrice et les IL appropriés pour des revêtements anti-givre efficaces. La troisième phase se concentre sur l’utilisation des solvants eutectiques profonds (DES) comme analogues écologiques des IL avec des réseaux de liaisons hydrogène uniques. Dans cette phase, des IL à base de choline avec des anions hydrophiles et hydrophobes ont été synthétisés puis leurs combinaisons synergiques avec des DES a été explorer. Le remplacement de l'éthylène glycol (EG) par le glycérol (GL) permet d'atteindre une température de formation de glace de -36 °C et une force d'adhésion de la glace de 10 kPa. La spectroscopie RMN à l'état solide confirme la présence d'une couche quasi-liquide plus épaisse sur la surface du revêtement, en améliorant la résistance à la formation de givre. Ces résultats soulignent la synergie prometteuse entre les DES et les IL pour une atténuation très efficace de la glace. La dernière phase explore également les effets synergiques de matériaux glaciophobes sur l’amélioration les capacités anti-givre dynamiques des surfaces, en se concentrant sur le rôle hydrophobe des composants donneurs de liaisons hydrogène (HBD) dans les DESs. En se basant sur la troisième phase, un focus particulier est mis sur les DES à base de choline combinés avec des IL à base de choline synthétisés. Une caractérisation complète par ATR-FTIR, XPS et des mesures de mouillabilité révèle que le remplacement de l'éthylène glycol (EG) par le diol perfluoré (PFOL) augmente les sites de liaison hydrogène. Cela conduit à une température de formation de glace de -35 °C et une force d'adhésion de la glace de 13 kPa. De plus, la spectroscopie SS-NMR et ATR-FTIR à basse température confirment la présence d'une couche QLL à la surface, et une résistance accrue à l'accumulation de givre. L'effet plastifiant inhérent des IL et des DES augmente l'allongement à la rupture des revêtements modifiés, tandis que la résistance à la traction du revêtement à base de PFOL-DES reste inchangée par rapport à la référence. Cette phase démontre que la combinaison des DES et des IL, qui réagissent bien à la glace, surpasse leurs composants individuels, conduisant à des revêtements glaciophobes performants et durables.

Icing poses significant challenges across various industries, prompting a shift from static, passive anti-icing surfaces to dynamic technologies. This Ph.D. thesis investigates the innovative use of ionic liquids (ILs) and deep eutectic solvents (DESs) in dynamic anti-icing surfaces, addressing persistent challenges and advancing anti-icing solutions. The first phase of this research focuses on the incorporation of room-temperature ionic liquids (RT-ILs) into PDMS-based coatings for dynamic anti-icing applications. By examining the relationship between the physicochemical properties of ILs and their anti-icing behavior, the study characterizes the surface chemistry of the coatings. The distinct groups of IL anions on the surface are analyzed using Attenuated Total Reflectance-Fourier transform infrared spectroscopy (ATR-FTIR) and further confirmed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and scanning electron microscopy-energy dispersive X-ray analysis (SEM/EDX). Strong ionic hydrogen-bonded water molecules effectively delay ice nucleation, limit ice growth, and reduce ice adhesion strength. Solid-state Nuclear Magnetic Resonance spectroscopy (SS-NMR) confirms a self-lubricating quasi-liquid-like layer (QLL) at the interface, which leads to a 60-70% reduction in ice adhesion strength. This phase demonstrates the significant influence of subtle chemical modifications in ILs on their anti-icing capabilities. The second phase investigates how the hydrophobicity of the matrix influences the mobility of ILs at subzero temperatures. Wettability tests underscore the crucial role of IL anion hydrophobicity, and dielectric spectroscopy distinguishes ion mobility within coatings at low temperatures. The impact of varying crosslink density on ion mobility is examined through water absorbency tests. The higher mobility of ILs released from the coatings at subzero temperatures is confirmed by their presence in water solutions, validated via UV–vis spectroscopy, leading to increased ionic conductivity. Surfaces containing ILs demonstrate a substantial reduction in ice formation temperature to -23.5 °C and very low ice adhesion strength of approximately 15 kPa. Solid-state NMR spectroscopy provided confirmation of the existence of QLL at the interface. The findings underscore the importance of matrix selection and IL choice in optimizing anti-icing performance. In the third phase, our focus shifts to deep eutectic solvents (DESs), eco-friendly IL analogs with unique hydrogen-bonding networks. Choline-based ILs with hydrophilic and hydrophobic anions are synthesized and combined synergistically with DESs. The substitution of ethylene glycol (EG) with glycerol (GL) results in an ice formation temperature of -36 °C and an ice adhesion strength of 10 kPa. SS-NMR spectroscopy confirms the formation of a thicker QLL on the coating surface, which enhances resistance to frost formation. This phase highlights the promising synergy between DESs and ILs in achieving superior ice mitigation. The final phase also explores the synergistic effects of combining multiple icephobic materials to enhance the dynamic anti-icing properties of surfaces, focusing on hydrophobicity role of hydrogen-bond donor (HBD) components within DESs. Building on the third phase, choline-based DESs are combined with synthesized choline-based ILs. Comprehensive characterization using ATR-FTIR, XPS, and wettability measurements reveals that replacing ethylene glycol (EG) with Perfluorinated diol (PFOL) increases the availability of hydrogen-bonding sites. This results in an ice formation temperature of -35 °C and an ice adhesion strength of 13 kPa. SS-NMR and low-temperature ATR-FTIR spectroscopy confirm the presence of a QLL on the surface, while modified frost formation patterns demonstrate improved resistance to frost accumulation. The plasticizing effect of IL and DESs increases the elongation at break for modified coatings, while the tensile strength of the PFOL-based DES coating remains unchanged compared to the reference. This phase demonstrates that the combining DESs and ILs as ice-responsive materials outperforms their individual components, leading to durable, high-performance, and sustainable icephobic coatings