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

Résumé

L’accumulation de la glace dans les pays nordiques est un problème sévère qui engendre de sérieuses conséquences dans divers domaines particulièrement les infrastructures portuaires fluviales ou marines. Dans ces environnements, marqués par la présence d’humidité relative très élevée et par la présence de sels dans les zones marines, les épisodes de givrage consécutifs mènent à la détérioration par la corrosion. La lutte contre ces effets néfastes a suscité le développement de plusieurs types de revêtements de protection comme solution passive parmi lesquels les revêtements à base d’époxy. Ces derniers ont prouvé leur potentiel anticorrosif, une excellente durabilité et une résistance mécanique supérieure. Toutefois, la recherche d’un revêtement d’époxy intrinsèquement glaciophobe a conduit à reconsidérer les stratégies antigivrantes existantes et exclure la superhydrophobicité. Parmi les restantes, celle intégrant l’utilisation de matériaux à faible module d’élasticité et hydrophobe à base de silicone pour la réduction de la contrainte d’adhérence de la glace a été retenue. Ainsi, en couplant l’effet des polymères de silicone et des époxy en des matrices dites époxy-silicone, un revêtement glaciophobe a été formulé en deux étapes. D’abord, une étude paramétrique a été conduite lors de la sélection de la matrice de polymère. Puis, le revêtement glaciophobe a été formulé par l’utilisation d’additifs à base d’organosilane modifiant dans le volume la chimie de la matrice. En comparant les propriétés mécaniques des matrices avec la contrainte d’adhérence de la glace, aucune corrélation apparente avec le module d’élasticité des thermodurcissables n’a été observée. Cependant, en se basant sur un agent de cure particulier et en variant l’énergie de rupture, il a été observé que la contrainte d’adhérence de la glace varie positivement avec cette dernière. Il s’agit d’une formule hydrophobe non texturée contournant les insuffisances des surfaces superhydrophobes sujettes au givrage par condensation dans les cavités de surface. Le revêtement développé offre une diminution de l’adhérence de la glace avec un facteur de réduction de 11 comparé avec l’acier soit 94 kPa en régime statique (push-off), et 48 kPa en régime dynamique (par centrifuge). Selon, les tests d’accumulation de givre, réalisés pour la simulation en environnement à humidité très élevée, l’accumulation est inéluctable. Cependant, la genèse des cristaux de glace y est différente aidant ainsi à minimiser la contrainte de retrait de la glace. En plus, le potentiel antigivre de ce revêtement a démontré une baisse de la température de nucléation de la glace jusqu’à -21°C. D’autre part, des essais de mesure de l’adhérence mécanique du revêtement développé au substrat en acier ont montré une bonne adhérence à ce dernier. La résistance aux intempéries a été vérifiée grâce au vieillissement accéléré avec une bonne résistance aux rayonnements UV. La réduction de l’absorptivité à l’eau suggère également la présence d’une barrière anticorrosive. Enfin, la bonne résistance à l’abrasion témoigne que le revêtement pourrait être utilisé comme une bonne solution pour la réduction de l’adhérence de la glace au niveau des zones portuaires.

Ice accumulation on infrastructure in the northern countries represent a severe problem that leads to disastrous consequences in various fields, especially fluvial and marine harbor infrastructures. In these environments, characterized by the presence of very high relative humidity and salts, consecutive episodes of icing may lead to the deterioration of the infrastructure by corrosion. Fighting against these harmful effects has prompted a wave of several strategies, including many types of protective coatings as a passive solution, among which are epoxy-based coatings. Those ones have proven their anti-corrosive potential, excellent durability, and outstanding mechanical resistance. However, the search for an intrinsically icephobic coating with good performance in such an environment has led to consideration of existing strategies excluding superhydrophobicity. Hence, among these, the chosen one is aiming at the use of silicone-based hydrophobic materials with low modulus of elasticity for the reduction of ice adhesion strength. Thus, by coupling the effects of silicone polymers and epoxies in so-called epoxy-silicone matrices, an icephobic coating was formulated in two steps. First, a parametric study was conducted during the selection of the polymeric matrix. Then, the icephobic coating was formulated by bulk chemical modification using organosilane-based additives. Also, by comparing the mechanical properties of the matrices with the adhesion strength of the ice, no apparent correlation with the Young elastic modulus of the thermosets was reported. However, based on a particular curing agent and varying the fracture energy, the adhesion strength of the ice was found to vary positively. On one hand, this hydrophobic, non-textured formula overcomes the shortcomings of superhydrophobic surfaces prone to frosting by condensation in surface cavities. The coating developed offers an ice adhesion reduction with a factor of 11 for steel, i.e. 94 kPa in static conditions (push-off) and 48 kPa in dynamic conditions (by centrifugal removal). According to light and heavy frost accumulation tests carried out for the simulation of a very high humidity environment, the accumulation is inevitable. However, the genesis of ice crystals is different which helped to minimize the ice detachment strength. Finally, the anti-icing potential of this coating demonstrated a drop in the nucleation temperature of the ice down to -21°C. On the other hand, the mechanical adhesion tests of the developed coating on the steel substrate showed good adhesion to the substrate. Weather resistance has been verified through accelerated aging with good UV resistance. In addition, the reduction in water absorptivity also suggests the presence of an anticorrosive barrier. These aspects, coupled with the good abrasion resistance, testifies that the coating could be used as a good candidate for the reduction of ice adhesion on harbor structures.