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

Résumé

With the emerging advancements in different fields of new materials, polymers, and technologies which have been revolutionary in industries, the demand for new generation of multi-functional materials with specific properties is highly growing. Superhydrophobic and self-healing materials are among these developments and have arisen as an unstoppable demand in the recent decades. In real world applications, coatings and surfaces are subjected to mechanical damages that are severe threat to the integrity of the structures. Once polymeric structures are damaged, there might be few limited methods available to sustain their functional lifetime. By the inspirations from mother nature and biological systems, the self-healing composite materials are designed to trigger a self-repair response without any or slight external human intervention. Herein, we aimed at designing a multifunctional superhydrophobic coating in order to increase the effective life-span of high-voltage insulators by preventing and/or delaying the possible arcing and flashover driven damages that originated from wettability issues and mechanical damages. Firstly, a telechelic silanol terminated polydimethylsiloxane (DMS-S12) and catalyst (Dibutyl tin dilaurate, DBTL) were encapsulated inside poly (melamine-urea-formaldehyde) shells separately via emulsion polymerization technique. The encapsulation of core materials, surface morphology and size distribution of microcapsules, and thermal stability of microcapsules were investigated. The synthesized microcapsules were obtained within a size range of 10-110 μm showing a spherical and uniform morphology, and thermal stability up to elevated temperatures. The microcapsules were incorporated inside a polydimethylsiloxane (PDMS) elastomer matrix, namely SILGARD 184, and the healing performance of the silicone composite was evaluated by monitoring a crack repair via scanning electron microscopy (SEM) and measuring the extent of recovery in mechanical properties via tensile and tear tests. The composites containing microcapsules depicted self-healing efficiencies of 67% and 55% calculated based on the recovered toughness and tearing energy of the healed samples. Secondly, a silicone-based superhydrophobic (SHP) coating was developed using spray coating method which was applicable to a variety of substrates including glass, porcelain, aluminum, and steel. The developed coating exhibited contact angle of 163° and contact angle hysteresis of 2.3° with excellent self-cleaning (in both dry and wet pollution scenarios) and icephobic (low ice adhesion and high delay in freezing time) properties. Robustness and durability which are the Achilles heel of superhydrophobic materials were assessed via a set of mechanical and chemical testing techniques in which the great non-wetting properties of the as-prepared coating was shown to be maintained even after various extreme treatments, i.e., waterjet impacting, immersing in pollutants and acid/base solutions for 24 h, tape peeling test, and sandpaper abrasion. Thirdly, the performance of superhydrophobic coating under electrical stress was evaluated employing a variety of methods including dielectric spectroscopy analyses, flashover voltage measurements tests, condensation, and inclined plane tests. The SHP coating represented lower dielectric permittivity and loss factor compared to a pristine sample within the frequency range of 10-4 – 103 Hz. Also, the leakage current results showed that the coating successfully reduced the leakage current on its surface in environments with high humidity. Moreover, the developed coating was able to increase flashover voltage in different conditions including dry, wet, and polluted states. Lastly, the obtained self-healing microcapsules were adapted for incorporation in thin layer surface coatings by some modifications in the process parameters. The SEM observations illustrated mean diameters of 18 and 16 μm for microcapsules. For the evaluation of self-healing ability, the scratched coatings were visually inspected using microscopy imaging. Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) was employed to quantitatively investigate the self-healing function of the as-prepared coating. The self-healing efficiency and delamination index of the coating were calculated using the obtained data from EIS measurements (charge transfer resistance (Rct) and impedance (Z0.01 Hz)). The data showed self-healing efficiencies up to 96% compared to the blank superhydrophobic coating. The delamination index of the samples also confirmed the healing of the microcrack after 48 hours.

Avec l’émergence dans plusieurs domaines de nouveaux types de matériaux, polymères et technologies qui ont révolutionné les infrastructures sociales et industriels, la demande pour des matériaux de nouvelle génération multifonctionnels à propriétés spécifiques enregistre une forte croissance. Notamment, les matériaux superhydrophobes et autoréparant ont connu une ascension fulgurante, au cours des dernières décennies. Dans des applications pour la vie quotidienne, les revêtements et les surfaces subissent de sévères contraintes mécaniques qui affectent l’intégrité des structures à long terme. Pourtant, il existe très peu de méthodes disponibles pour maintenir l’efficacité et leur durabilité lorsque les surfaces polymériques sont abimées. Ainsi, s’inspirant de mère nature et du potentiel auto-régénérassions des systèmes biologiques, des matériaux composites autoréparant ont été développé pour apporter une solution auto-réparatrice avec très peu voire aucune intervention humaine. Ici, la conception d’un revêtement superhydrophobe multifonctionnel capable d’augmenter la durée de vie effective des isolateurs à haute tension est au coeur de notre préoccupation. Ce dernier vise à prévenir voire retarder les éventuels dommages mécaniques causés par les arcs électriques et les contournements résultant de problèmes de mouillabilité et de ces dommages. Dans un premier temps, un polydiméthylsiloxane doté d’une terminaison en silanol téléchélique (DMS-S12) et un catalyseur (dilaurate de Dibutylétain, DBTL) ont été encapsulés séparément dans membrane de poly (mélamine-urée-formaldéhyde) via la technique de polymérisation en émulsion. L'encapsulation des matériaux du noyau ainsi que la morphologie de surface, la distribution de leur taille et la stabilité thermique des microcapsules ont été étudiées. Les microcapsules synthétisées présentaient un diamètre compris entre 10-110 μm avec une morphologie sphérique et uniforme, et une stabilité thermique jusqu'à des températures élevées. Celles ont été incorporées par la suite à l'intérieur d'une matrice élastomérique de polydiméthylsiloxane (PDMS), dénommée SILGARD 184 pour former le revêtement composite. Le potentiel de cicatrisation du composite de silicone ainsi obtenu a été évalué en surveillant une réparation de fissure par microscopie électronique à balayage (MEB) et en mesurant l'ampleur de la récupération des propriétés mécaniques par des essais de traction. Dans un second temps, le revêtement développé a été appliqué par pulvérisation sur une variété de substrats notamment le verre, la porcelaine, l'aluminum et l'acier. Le revêtement présent un angle de contact de 163° et une hystérésis d'angle de contact de 2.3° avec d'excellentes propriétés autonettoyantes (évalué en pollution sèche et humide) et glaciophobes (faible adhérence à la glace et retard élevé du temps de congélation). La robustesse et la durabilité représentent généralement le talon d'Achille des matériaux superhydrophobes. C’est pourquoi un ensemble des essais mécaniques et chimiques ont été effectués pour évaluer la robustesse du revêtement final vis à vis des conditions réels. Les résultats recueillis ont confirmé la stabilité des propriétés du revêtement développé soumis à conditions extrêmes. Troisièmement, la performance du revêtement superhydrophobe final (SHP) sous contrainte électrique a été évaluée à l'aide de diverses méthodes tels que la spectroscopie diélectrique, des tests de mesure de tension d'amorçage, de condensation et des tests de plan incliné. Le revêtement SHP offrait une permittivité diélectrique et un facteur de perte inférieurs à ceux d'un échantillon vierge dans la plage de fréquences est comprise entre 10-4 et 103 Hz. De plus, les résultats portant sur le courant de fuite ont montré que le revêtement réduisait avec succès le courant de fuite à sa surface dans des environnements à forte humidité. En plus, une augmentation de la tension de contournement dans différentes conditions qu’il s’agisse d’un état sec, humide ou pollué a été observée. Enfin, les microcapsules autoréparants obtenues ont été adaptées/ redimensionnées pour être incorporées dans des revêtements de surface de manière à obtenir une couche mince grâce à certaines modifications des paramètres du procédé. Les observations MEB ont révélé des diamètres moyens de 18 et 16 μm pour les microcapsules. Concernant l'évaluation de la capacité d'auto-guérissons, les revêtements ont été rayés et inspectés visuellement en utilisant l'imagerie par microscopie. La spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS) a été également utilisée pour étudier quantitativement la fonction d'auto-guérissons du revêtement tel que préparé. L'efficacité d'auto-guérissons et l'indice de délaminage du revêtement ont été calculés à l'aide des données obtenues à partir des mesures EIS (résistance de transfert de charge (Rct) et impédance (Z0.01 Hz)). Les données ont montré des efficacités d'auto-guérissons allant jusqu'à 96% par rapport au revêtement superhydrophobe vierge. L'indice de délaminage des échantillons a également confirmé que la cicatrisation de la microfissure a lieu après 48 heures.