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

Résumé

Situées surtout dans les régions côtières et en mers, les installations de forage et d’exploitation pétrolières sont soumises à l’année à un environnement corrosif et en saison hivernale au givrage en conditions d’embruns marins. La glace recouvrant les structures et les surfaces exposées dans cet environnement marin, constitue une entrave sérieuse à la sécurité des travailleurs en raison des chutes de glace, des surcharges pouvant causer des défaillances structurelles majeures et d’autre part nuire au bon fonctionnement des appareils et détecteurs spécialisés qui requièrent alors plus d'entretien. Bien que plusieurs facteurs influencent l’adhérence et l’accumulation de la glace, l’aspect des propriétés de l’interface reste le seul facilement contrôlable. En modifiant cette interface, on pourrait concevoir un revêtement résistant à la corrosion, dit glaciophobe donc auquel la glace n’y adhère pas ou ne s’y accumule pas. En s’inspirant de la feuille de Lotus, qui est naturellement superhydrophobe, on pourrait recréer des structures comparables sur les métaux, qui pourraient avoir un effet sur les propriétés glaciophobes. La faible mouillabilité de la feuille de Lotus, à la surface de laquelle l’eau liquide est fortement repoussée, est attribuable à : 1. Des microrugosités; 2. Des nanorugosités; 3. La présence de molécules hydrophobes en surface des nanorugosités. Ce mélange de rugosités hydrophobes à deux échelles fait réduire le contact direct de l’eau avec la structure solide, permettant l’adsorption d’air, et augmentant ainsi l’angle de contact. Si la fraction solide en présence de glace diminue de la même façon qu'avec l'eau liquide, ou selon un mécanisme similaire, on devrait s'attendre à ce qu'un revêtement superhydrophobe soit d'autant plus efficace à réduire l’adhérence et l’accumulation de la glace, que son angle de contact s'approche de la valeur théorique maximale de 180°. L’objectif de cette recherche est de vérifier qu’un matériau superhydrophobe peut diminuer l’adhérence et l’accumulation de la glace tout en conservant de bonnes propriétés anticorrosion. Afin de vérifier cette assertion, trois familles de nouveaux revêtements micros et nanostructurés, identifiées par les lettres A, B, et C, ont été développés de façon à pouvoir en déterminer l'efficacité glaciophobe en relation avec l'angle de contact particulier à chaque structure obtenue. Les revêtements ont tous été optimisés pour que l’angle de contact et l’adhérence au substrat soient maximaux. Les trois revêtements optimisés sont les suivants : Le revêtement A a été développé pour application sur l’acier galvanisé. Les microrugosités créées sont celles de la structure de la couche du zinc électrodéposé en surface et les nanorugosités sont celles créées par le film de silicone copolymérisé nanostructuré. Un temps optimal de 10 min a été retenu pour l'électrodéposition du zinc, ce dernier maximisant l'angle de contact à 155° lorsqu’enduit d’un film de silicone de 100 nm d'épaisseur. Le revêtement B a été développé pour application sur un alliage d’aluminium. Les microrugosités créées sont celles de la microstructure granulaire obtenue par gravure de l'aluminium immergé dans un bain de HCl et les nanorugosités sont celles créées d'un même film nanostructuré de silicone copolymérisé. La valeur optimale du temps de gravure est de 8 minutes et donne l'angle de contact le plus élevé à 154°, lorsqu’enduit du même film de silicone de 100 nm d'épaisseur déposé sur le revêtement A. Le revêtement C a été développé pour être appliqué indifféremment sur tout substrat dégraissé d'aluminium ou d'acier. Les microrugosités et les nanorugosités sont celles créées par les agrégats de nanoparticules de ZnO rendues hydrophobes mélangées au silicone qui sont pulvérisées sur une couche d’apprêt composée de silicone et de polyméthylhydrosiloxane. On obtient alors un produit composite rigide où les nanoparticules de ZnO enrobées de silane sont imbriquées dans le réseau nanostructuré de silicone copolymérisé. Le revêtement C produit de cette façon satisfaisait à la norme ASTM d'adhérence à un substrat, mais n’est pas superhydrophobe, restant seulement hydrophobe avec un angle de contact réduit de 123°. Tous les revêtements optimisés développés montrent un niveau de résistance à la corrosion beaucoup plus élevé que leur substrat tant en polarisation qu’en impédance électrochimique. Toutefois aucune relation entre l’hydrophobicité et le niveau de résistance à la corrosion n’a été établie. Il a seulement été déterminé que ce sont la nature chimique de l’interface, à savoir ses propriétés électriques en isolation, son hydrophobicité et la présence d’air, de même que l’épaisseur qui sont les deux aspects essentiels à respecter pour avoir de bonnes propriétés anticorrosion. Les trois revêtements A, B, et C ont été évalués quant à la réduction d'adhérence et d’accumulation évaluée dans les environnements givrants rencontrés en mer arctique. En première position, le revêtement superhydrophobe B avec un angle de contact de 154°et un facteur de réduction l'adhérence (ARF) de la glace sur l'aluminium de 14 et de la quantité accumulée 5 % moindre. En seconde position, le revêtement superhydrophobe A avec un angle de contact de 155° et un facteur ARF de 6, lequel n’a pas été évalué en accumulation; et en troisième position le revêtement hydrophobe C avec un facteur de réduction de 3, lequel ne réduit pas la masse de glace accumulée. Deux mécanismes ont été trouvés responsables de l’adhérence à la glace sur les revêtements développés soient : 1. l’effet d’ancrage diminué par la présence de nanorugosités hydrophobes recouvrant les microrugosités pouvant adsorber de l’air et 2. L’effet de la quantité d’air adsorbé dans la structure de l’interface, à savoir que pour des angles de contact égaux, si la quantité d’air augmente dans la microstructure, donc un Rrms plus élevé, ferait que l’adhérence serait diminuée. Le fait que le revêtement B possède un ARF plus élevé que le revêtement A, alors qu’ils ont un angle de contact semblable, à 1° près, est expliqué par le fait que la valeur des hauteurs des microrugosités Rrms y est plus élevée. Les essais d’accumulation en embruns marins ont permis d'observer que le revêtement superhydrophobe accumulait moins de glace que ceux hydrophobe et hydrophile. Cette diminution peut s’expliquer par le fait que les gouttelettes d’eau surfondues vont rouler sans y adhérer à cause de la nature superhydrophobe. Sur la base de calculs effectués à partir des forces de gravité agissant sur un dépôt de glace accolé à un cylindre, les meilleurs revêtements glaciophobes devraient avoir un ARF d’au moins 100 pour que : 1. L’adhérence soit réduite de 99 %; et 2. L’auto-délestage des collecteurs fixes se produise avec des dépôts de glace de quelques centimètres d'épaisseur. Les éléments d’originalité de ce travail sont : 1. L’utilisation de copolymères hydrophobes pour l’élaboration de revêtement nanostructurés superhydrophobes, qui ont l’avantage d’offrir des propriétés mécaniques de résistance et d’adhérence supérieures à celle d’un polymère unique; 2. L’amélioration de l’équation de Cassie-Baxter en introduisant les hauteurs des micros et des nanorugosités; 3. La détermination des valeurs de ARF nécessaires pour qu’il y ait autodélestage d’un substrat glaciophobe où y est accolé quelques centimètres de glace; 4. La recommandation d’une méthode pour modifier un revêtement résistant à la corrosion déjà existant pour le rendre glaciophobe. Le développement des revêtements micro et nanostructurés possédant des propriétés glaciophobes est en constante évolution. Dans ce contexte, on se doit d’approfondir davantage la compréhension des mécanismes en jeu tant en adhérence et qu’en accumulation de la glace, et ce sur des substrats variés en relation avec leurs états de surface. Sur la base des résultats obtenus, il est possible de suggérer les principales recommandations suivantes : 1. Modéliser de façon analytique l'adhérence et l'accumulation de la glace dans le but de concevoir des revêtements encore plus efficaces; 2. Disposer de l’appareillage permettant l’étude de l’effet l’air adsorbé à l’interface sur l’adhérence de la glace; 3. Explorer de nouvelles avenues ou solutions potentiellement efficaces à mitiger l’accumulation de givre; 4. Rédiger des publications scientifiques proposant des procédures expérimentales normalisées permettant l’évaluation des revêtements dans des conditions représentatives de celles des embruns marins givrants.