Etude de la dégradation de matrices organiques et des interfaces dans des systèmes de peinture : contribution à la maîtrise de leur durabilité en environnement humain

Degradation study of polymer coating and interface in conventional pigmented paint system : contribution to the service life requirements control in marine environment

• Auteur / Autrice : Céline Merlatti
• Direction : André Margaillan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences. Chimie et physicochimie des polymères
• Date : Soutenance en 2006
• Etablissement(s) : Toulon
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université du Sud Toulon-Var. UFR de Sciences et Techniques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Surfaces (technologie) -- Analyse

Revêtements protecteurs

Corrosion par l'eau de mer

Anticorrosion

Polymères -- Détérioration

Résumé

Les plateformes navales sont soumises à un environnement naturel particulièrement agressif qui peut non seulement affecter les conditions opérationnelles des navires mais également générer des coûts d'entretien élevés. La protection contre la corrosion des navires de la Marine Nationale est souvent assurée par des revêtements organiques. La durabilité attendue des systèmes se situe autour de 15 ans. Aujourd'hui, la durée d'efficacité de la protection est inférieure ce qui nécessite des travaux de maintenance fréquents. Les objectifs de ce travail sont multiples : tout d'abord, évaluer la représentativité des essais de vieillissement réalisés en laboratoire vis-à-vis du vieillissement en milieu naturel ; ensuite, définir un cycle de vieillissement artificiel plus représentatif du vieillissement naturel ; puis, comprendre les facteurs qui sont déterminants dans les pertes de protection. A l'issue de ces travaux, un ou plusieurs traceur(s) de l'évolution des performances anticorrosion pourront donc être proposé(s). Les résultats présentés ici portent sur l'étude de trois systèmes anticorrosion industriels constitués de trois couches : finition - intermédiaire - primaire. L'épaisseur totale des revêtements étudiés est comprise entre 200 et 250 μm. Dans cette étude, chaque système anticorrosion est soumis à cinq vieillissements artificiels : Brouillard Salin (BS ISO 227), trois cycles normalisés (QUV ASTM G 53, ASTM D 5894 et ISO 20340) et un cycle innovant défini au laboratoire. Parallèlement, les échantillons sont exposés durant quatre ans sur trois sites de vieillissement naturel: d'une part, à Bandol, (83, France) de classe de corrosivité C3 et d'autre part, à Pipady (83, France) et Kure Beach (Caroline du Nord, USA), de classe de corrosivité C5M qui permettent d'associer les contraintes d'un climat chaud et ensoleillé à ceux d'une atmosphère marine. Après vieillissement, la combinaison de différentes techniques de caractérisation (Microscopie IRTF, pyrolyse couplée GC-MS, Analyse Mécanique Dynamique, Microdureté Vickers et MEB) permet d'étudier les évolutions physico-chimiques dans les différentes couches. L'évolution des propriétés d'interface substrat/revêtement est évaluée par des méthodes destructives (décapage et observations) et non destructives (Spectroscopie d'impédance électrochimique classique et locale, mesures de potentiel de surface). La comparaison des dégradations physiques et physico-chimiques observées après vieillissements naturel et artificiel sont différentes. La température joue un rôle déterminant dans la représentativité des cycles artificiels. Sur la base de ces résultats, un essai de vieillissement artificiel, plus représentatif des mécanismes de dégradation en milieu naturel marin, a pu être défini. De plus, les résultats obtenus ont permis de hiérarchiser l'impact des différentes contraintes d'agressivité des vieillissements sur la durabilité des systèmes. Les évolutions chimiques et physico-chimiques identifiées ne contrôlent pas spécifiquement les pertes de propriétés anticorrosion. Par contre, nous montrons que les contraintes internes générées lors des vieillissements par les cycles chaud/froid et séchage/humidité influencent directement les performances des systèmes.

In the French Navy, organic coating systems are used to protect ships from corrosion. The service life requirements for protection are a long-term durability of 15 years. Today, the protection is insufficiently durable to meet the requirements, involving important maintenance cost. Thus, coating weatherability testing must be carried out to predict coating failures. The goal of this work is to, first, evaluate whether artificial test is reliable and representative of weathering, secondly, define a new reliable artificial test and finally, understand and identify loss of protection controlling factor. Three anticorrosive systems are studied. Each system presents three layers: topcoat – basecoat – primer. The total width is comprised between 200 and 250 μm. All samples are exposed to four different standard artificial weathering tests: a neutral salt spray test (NSS ISO 9227) and three cycles (QUV ASTM G53, ASTM D5894 and ISO 20340. Besides, the same samples are exposed to a natural weathering during four years in three different locations: Bandol, (83, France) classified as a C3 site, Pipady (83, France) and Kure Beach (North Caroline, USA), classified as C5M sites. Both Kure Beach and Pipady permit to expose coatings to high intensity sunlight in a marine atmosphere. After ageing, the rate of chemical and physico-chemical changes in each layer is followed using different characterisation methods (FTIR Microscopy, Pyrolysis – GC/MS, Dynamical Mechanical Analysis, Vickers Microhardness and SEM). Substrate/primer interface properties are studied by destructive method (the corroded area measurement in the scribing area beneath the coating) and non –destructive methods (Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS), Local EIS, surface potential measure). By comparing the kinds of chemical and physico-chemical changes in the different tests, it is possible to assess the validity of the accelerated tests. QUV ASTM G53, ASTM D5894 and ISO 20340 artificial cycles involve chemical processes which differ from those obtained after natural exposure. Here, the temperature is believed to be a key factor to explain such differences. On the bases of these results, a new cycle has been defined, more reliable. The variety of different weathering conditions permits to determine the more severe conditions in terms of degradation. Coating durability is not directly linked to physicochemical evolution that occurs in the coating. In fact, internal stresses developed during both temperature and moisture cycles control the coating performance