Etude de dépôts par procédé plasma à pression atmosphérique de promoteurs d'adhésion sur substrats granulaires et fibreux

Study of adhesion promoters coatings, obtained by atmospheric plasma, on granulous and fibrous substrates.

• Auteur / Autrice : Irène Bacquet
• Direction : Michaël Tatoulian
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Energétique et génie des procédés
• Date : Inscription en doctorat le 15/04/2021
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche de Chimie Paris
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Procédés, Plasmas, Microsystèmes (2PM)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Chimie ParisTech / École Nationale Supérieure de Chimie de Paris (ENSCP)

Mots clés

Mots clés libres

Promoteurs d'adhésion

Traitement de fibres et grains

Modification de surface

Plasma à pression atmosphérique

Durabilité

Adhesion promoters

Grain and fiber treatments

Surface modification

Plasma à pression atmopshérique

Durability

Résumé

Les matériaux composites, qu'ils soient renforcés par des fibres ou des particules, sont des matériaux à hautes performances. Ils mettent en jeu des interfaces entre des phases organiques et non organiques, dont dépendent les propriétés mécaniques et la durabilité du matériau. Il est fréquent que la rupture du matériau ait lieu à l'interface renfort/matrice. Pour pallier ce problème, un certain nombre de traitements de surface chimiques et physiques pour les assemblages ont été mis au point ces dernières années. En raison des inconvénients liés aux traitements chimiques (toxicité, réglementation…), et lorsque cela est possible dans les procédés industriels, les traitements de surface physiques pour modifier la surface des matériaux (verre, polymères...) sont préférés. Le groupe Saint-Gobain participe à plusieurs niveaux dans la chaine de valeur des matériaux composites. Il commercialise des fibres et des grains ayant le rôle de renfort (fibres de verre, grains céramiques), intervient à plusieurs étapes de la transformation des matières premières en matériaux composites (textiles techniques, films de polymères chargés), et commercialise ces matériaux. Du fait de la complexité de la forme des renforts, et de diverses contraintes dans les procédés de production, les activités du groupe ont généralement recours à des primaires d'adhésion ajoutés en voie liquide, bien que cela représente des contraintes de coût, de procédé et de risque chimique (produits potentiellement CMR). Il est donc important d'évaluer une substitution des procédés par voie liquide existants, tenant compte des évolutions des réglementations REACH connues à ce jour et s'intégrant parfaitement dans une chaine industrielle en continu. Le traitement par plasma est une solution privilégiée car il offre une modification de surface plus stable et plus durable que toute autre méthode. Cette technique, pouvant être adaptée sur des substrats de formes complexes, permet une grande diversité de modifications de surfaces : décapage (etching), greffage de fonctions réactives sur quelques Å (fonctionnalisation). Le plasma peut également assurer le dépôt de couches inorganiques/organiques de chimie et de structure contrôlées sur quelques nm d'épaisseur, par polymérisation radicalaire sous plasma (PE-CVD). Cependant, le traitement par plasma conventionnel présente certains inconvénients comme la mise sous vide (interruption de plusieurs heures des chaines d'assemblage) et la limitation de la taille des pièces à traiter. L'une des solutions actuellement développée pour remédier à ces inconvénients est l'utilisation de plasma à la pression atmosphérique. Dans l'objectif de contrôler les propriétés mécaniques à l'interface de matériaux composites il s'agira de répondre à un certain nombre de problématiques scientifiques : En premier lieu il sera indispensable de comprendre l'effet des dépôts par procédés plasma sur les surfaces traitées (chimie de surface, homogénéité des fonctions chimiques, épaisseurs des couches déposées et rugosité de la surface). Il sera ensuite nécessaire d'évaluer la durabilité des propriétés chimiques déposées en surface et d'expliquer le mécanisme de leur dégradation. Il conviendra ensuite de comprendre le rôle des fonctions chimiques et de la morphologie du revêtement dans le processus d'adhésion à l'interface des phases organiques et inorganiques des matériaux composites et les propriétés mécaniques qui en découlent. Un dernier point auquel il s'agira de répondre est l'aptitude du procédé à traiter des objets de formes complexe d'une manière uniforme.

Composite materials, whether fiber or particle reinforced, are high performance materials. They involve interfaces between organic and non-organic phases, on which the mechanical properties and durability of the material depend. Material failured often occur at the reinforced/matrix interface.To overcome this problem, a number of chemical and physical surface treatments for assemblies have been developed in recent years. Because of the disadvantages related to chemical treatments (toxicity, regulations...), and when possible in industrial processes, physical surface treatments are preferred to modify the surface of materials (glass, polymers...). Saint-Gobain group participates at several levels in the value chain of composite materials. It produces fibers and grains reinforcing the composites (glass fibers, ceramic grains), intervenes at several stages of the transformation of raw materials into composite materials (technical textiles, charged polymer films), and markets these materials. Due to the complexity of the shape of the reinforcements, and various difficulties in the production processes, the group's activities generally use adhesion primers added by liquid path, although this adds constraints of cost, process and chemical risk (potentially CMR products). It is therefore important to evaluate a substitution of existing liquid processes, taking into account the changes in REACH regulations known to date and integrating perfectly into a continuous industrial process. Plasma treatment is therefore a privileged solution because it offers a more stable and durable surface modification than any other method. This technique, which can be adapted to substrates with complex shapes, allows a wide variety of surface modifications: etching, grafting of reactive functions on a few Å (functionalization). Plasma can also ensure the deposition of inorganic/organic layers of controlled chemistry and structure over a few nm thickness, by radical polymerization under plasma (PE-CVD). However, conventional plasma treatment has several disadvantages such as vacuum (interruption of assembly lines for several hours) and limitation of the size of the parts to could be treated. One of the solutions currently being developed to overcome these disadvantages is the use of plasma at atmospheric pressure. In order to control the mechanical properties at the interface of composite materials, it will be needed to answer a certain number of scientific issues: First of all it will be essential to understand the effect of plasma deposition on the treated surfaces (surface chemistry, homogeneity of chemical functions, thickness of the coatings and surface roughness). It will then be necessary to evaluate the durability of the chemical properties deposited on the surface and to explain the mechanism of their degradation. It will then be required to understand the role of the chemical functions and the morphology of the coating in the process of adhesion at the interface of the organic and inorganic phases of composite materials and the resulting mechanical properties. A final point to be addressed is the ability of the process to treat objects of complex shapes in a uniform manner.