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

Résumé

Smart icephobic coatings have attracted much attention owing to their promising application prospects in reducing ice adhesion, decreasing ice nucleation temperature, and delaying freezing time. Such coatings can sense changes in environmental stimuli, such as temperature, humidity, pressure, and pH, and provide an anti-icing or deicing response. These coatings can be categorized into several groups depending on the type of stimuli. In the present thesis, we chose two different smart icephobic strategies to develop novel coatings with enhanced anti-icing and deicing properties. First, aqueous self-lubricating coatings were developed by incorporating the polyethylene glycol (PEG)–polydimethylsiloxane (PDMS) copolymer in an elastomeric matrix. The presence of hydrophilic groups on PEG–PDMS copolymers can contribute to the formation of a quasi-liquid-like layer (QLL) that can improve the icephobic performance of the coatings. Surface analysis of the fabricated coatings confirmed that blending these copolymers into the elastomeric matrix increased the effective contact area between the water droplet and surface. Moreover, increased copolymer content reduced the ice nucleation temperature and prolonged the freezing-delay time. Two different methods, namely, push-off adhesion and centrifugal adhesion tests, were applied to study ice adhesion on the coatings. In general, adding PEG–PDMS copolymer into the PDMS matrix produced an unfrozen lubricating layer, resulting in decreased ice adhesion. Although excessive copolymer content saturated the coating with copolymer, which led to phase separation. Consequently, the surface roughness heightened; therefore, the ice adhesion strength increased owing to the mechanical interlocking between the ice and surface. Second, given the capability of phase change materials (PCMs) to restore and release a large amount of latent heat during the phase change process, we designed a smart icephobic coating by embedding PCM microcapsules into the PDMS coating. For this purpose, a mixture of n-dodecane, n-tetradecane was successfully encapsulated in a poly urea–formaldehyde (PUF) shell via in situ polymerization. Then, the prepared microcapsules were incorporated into PDMS. Differential scanning calorimetry (DSC) confirmed that the PCM mixture preserved its capability of latent heat release while being encapsulated and incorporated within the elastomeric coating. This analysis also showed that the presence of PCM microcapsules reduced the ice nucleation temperature very likely due to the released latent heat. A specially designed apparatus called micro-push-off set-up was used to evaluate the ice adhesion for a short period after complete freezing. The measurement demonstrated that embedding PCM microcapsules can reduce the ice adhesion strength because of the possible scenario of producing QLL or thermal expansion differences. Furthermore, the reduced amount of ice accumulated on the PCM-containing coatings stemmed from the decreased ice adhesion. Finally, we evaluated the synergistic effect of combining the above-mentioned strategies by embedding PCM microcapsules into PEG–PDMS copolymer-containing coatings. A mixture of n-dodecane and n-tetradecane with an optimized ratio was encapsulated within the PUF shell. The obtained microcapsules were embedded into the PDMS coating containing 2.5 wt.% hydroxyl-terminated PEG–PDMS copolymer. With DSC, it was verified that incorporating the PCM microcapsules into the aqueous self-lubricating coating shifted the ice nucleation temperature toward colder temperatures. Evaluation of complete freezing time also supported the DSC results, as freezing time was increased by embedding the PCM microcapsules within the coating. The enhanced anti-icing performance can be related to the latent heat released by PCM, which preserved the QLL for a prolonged period. Moreover, it was observed that the aqueous self-lubricating coating containing PCM microcapsules showed lower ice adhesion strength than the self-lubricating coatings lacking microcapsules, and increased concentrations of the microcapsules resulted in decreased ice adhesion. A lower ice adhesion strength also resulted in a reduction in the amount of ice accumulated on the surface. Combining 10 icing/deicing cycles and micro-push-off test confirmed that no considerable changes in ice adhesion strength occurred over the subsequent deicing events. Therefore, the fabricated coatings can be considered a potential candidate for various icephobic applications.

Les revêtements glaciophobes intelligents ont attiré beaucoup d'attention en raison de leurs perspectives d'application prometteuses pour réduire l'adhérence de la glace, abaisser la température et retarder le temps de nucléation de la glace. De tels revêtements peuvent ressentir les changements dans les stimuli environnementaux comme la température, la pression et le pH, et fournir une réponse anti-givrage ou dégivrage. Selon le type de stimuli, ces revêtements peuvent être classés en plusieurs groupes. Dans la présente thèse, nous avons choisi deux stratégies glaciophobes intelligentes différentes pour développer de nouveaux revêtements glaciophobes intelligents aux propriétés anti-givrantes et dégivrantes améliorées. Dans un premier temps, les revêtements autolubrifiants aqueux ont été développés en incorporant le copolymère PEG-PDMS dans une matrice élastomère. La présence des groupes hydrophiles sur les copolymères PEG-PDMS peut contribuer à la formation de la couche quasi liquide (QLL) capable d’améliorer les performances glaçiophobes des revêtements. L'analyse de surface des revêtements fabriqués a confirmé que l’incorporation de ces copolymères dans la matrice élastomère augmentait la surface de contact effective entre la gouttelette d'eau et la surface. De plus, une teneur accrue en copolymère réduit la température de nucléation de la glace et retarde davantage le point de congélation. Deux méthodes différentes d'adhérence, la poussée (push-off) et les tests d'adhérence centrifuge ont été appliquées pour mesure l'adhérence de la glace sur les revêtements. En général, l'ajout de copolymère PEG-PDMS dans la matrice de PDMS produit une couche lubrifiante surfondue, entraînant une diminution de l'adhérence de la glace. Malgré les caractéristiques glaciophobes améliorées grâce à l’ajout de copolymère, une teneur excessive en a saturé le revêtement, ce qui a conduit à la séparation de phase. Par conséquent, la rugosité de la surface s'est accrue donnant lieu à une augmentation de la contrainte d’adhérence de la glace, en raison de l'enclenchement mécanique entre la glace et la surface. Deuxièmement, compte tenu de la capacité des matériaux à changement de phases (PCM) à emmagasiner et à libérer une grande quantité de chaleur latente au cours de leur processus de changement de phase, un revêtement glaciophobe intelligent a été conçu en incorporant des microcapsules de PCM dans un revêtement à base de PDMS. À cette fin, un mélange de PCM a été encapsulé avec succès dans une coque en polyurée-formaldéhyde (PUF) via une polymérisation in situ. Ensuite, les microcapsules préparées ont été incorporées dans la matrice. Le test de calorimétrie à balayage différentiel (DSC) a confirmé que le mélange PCM a conservé sa capacité de dégagement de chaleur latente lorsqu'il est encapsulé et incorporé dans le revêtement élastomère. Cette analyse a également montré que la présence des microcapsules de PCM réduisait la température de nucléation de la glace, très probablement en raison de la chaleur latente dégagée. Un appareil spécialement conçu, appelé configuration micro-push-off, a été utilisé pour évaluer l'adhérence de la glace pendant une courte période après la congélation complète. La mesure a démontré que l'incorporation de microcapsules PCM peut réduire la contrainte d'adhérence de la glace en raison de l'un ou l'autre des scénarios possibles de production de QLL ou de différences de dilatation thermique. De plus, la quantité réduite de glace accumulée sur les revêtements contenant du PCM proviendraient de la diminution de l'adhérence de la glace.Enfin, l'effet synergique de la combinaison des stratégies mentionnées ci-dessus en imprégnant des revêtements contenant du copolymère PEG-PDMS avec des microcapsules PCM a été évalué. Pour commencer, un mélange de n-dodécane et de n-tétradécane avec un rapport optimisé a été encapsulé dans la coque PUF. Les microcapsules obtenues ont été incorporées dans le revêtement PDMS contenant en masse 2,5 % m/m de copolymère PEG-PDMS à terminaison hydroxyle. Le test DSC a prouvé que l'incorporation des microcapsules PCM dans le revêtement autolubrifiant aqueux a déplacé la température de nucléation de la glace vers des températures plus froides. L'évaluation du temps de congélation complet a également confirmé les résultats du DSC, car le temps de congélation a été prolongé avec l’incorporation des microcapsules PCM dans le revêtement. Les performances antigivrantes améliorées peuvent être liées au dégagement de chaleur latente par le PCM qui a préservé la QLL pendant une période plus longue. De plus, il a été observé que le revêtement autolubrifiant aqueux contenant des microcapsules PCM présentait une contrainte d'adhérence à la glace inférieure à celle des revêtements autolubrifiants dépourvus de microcapsules. Aussi, des concentrations accrues de microcapsules diminueraient-elles l'adhérence à la glace. Une plus faible contrainte d'adhérence de la glace a également contribué à une réduction de la quantité de glace accumulée sur la surface. La combinaison de dix cycles de givrage/dégivrage et d'un test de micro-poussée a confirmé qu'il n'y avait pas de changements considérables dans la contrainte d'adhérence de la glace au cours des événements de dégivrage ultérieurs. En somme, les revêtements fabriqués peuvent être considérés comme un candidat potentiel pour diverses applications glaciophobes.