Nouveaux revêtements hybrides élaborés par voie sol-gel pour la protection de substrats ligno-cellulosiques : étude des microstructures et des propriétés mécaniques surface

• Auteur / Autrice : Xabier Errotabehere
• Direction : Michel Dumon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 31/05/2012
• Etablissement(s) : Bordeaux 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique et d'ingénierie de Bordeaux
• Jury : Président / Présidente : Bertrand Charrier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Bois, Marie-Pierre Foulc, Stéphane Grelier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pascal Etienne, Christian Gauthier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sol-gel, Procédé

Revêtements de sol

Planchers en bois

Mots clés libres

Sol-gel

Revêtement

Hybride

Nanoindentation

Rayure

Relation structure-propriétés

Modélisation par éléments finis

Bois

Vitrificateur

Polymérisation inorganique

Sol-gel

Coating

Hybrid

Nanoindentation

Scratch

Finite element modeling

Wood flooring

Relation between structure and properties

Inorganic polymerization

Résumé

Lors de leur durée de vie, les parquets en bois sont soumis à des agressions d’origine mécanique (rayure, frottement, usure). Des systèmes de vernis organiques (acryliques) et photoréticulables, appelées vitrificateurs, sont déposés en plusieurs couches et font intervenir une sous-couche appelée « basecoat » et une couche supérieure appelée « topcoat ». Cette dernière confère la résistance à la rayure nécessaire à l’ensemble du système. Des nouveaux revêtements hybrides organiques-inorganiques ont été élaborés par voie sol-gel et appliqués en couche de finition (topcoat) dans une configuration de vitrification de parquets. Ces revêtements sont préparés à partir de formulations liquides de monomères hybrides en solution hydroalcoolique soumises à une réaction de polymérisation inorganique (hydrolyse-condensation – procédé « sol-gel »), puis organique (photopolymérisation UV). Une étude structurale en phase liquide et en phase solide a permis de comprendre les mécanismes de polymérisation inorganique d’un sol de MAPTMS et de sols binaires MAPTMS/TEOS. Le phénomène d’auto-organisation du MAPTMS, connu lorsqu’il est utilisé comme seul précurseur, persiste en présence de TEOS. Des microstructures schématiques ont été proposées pour ces « vernis hybrides », leur organisation étant dépendante de la teneur en TEOS.Une étude mécanique locale, grâce à la technique de nanoindentation, a révélé l’effet renforçant du TEOS au sein des revêtements hybrides. Leur comportement à la rayure a été également étudié à deux échelles (« nano » et « micro ») et comparée à celui d’une référence industrielle organique réputée performante (dite « topcoat industriel »). A l’échelle « nano », les seuils d’endommagement (fissuration) des revêtements hybrides se sont avérés être équivalents voire supérieurs à ceux du topcoat industriel. A l’échelle « micro », un dispositif expérimental permettant d’enregistrer l’aire réelle de contact entre la pointe et le revêtement a montré que la transition élastique-plastique est retardée lorsqu’un revêtement hybride est utilisé comme topcoat. De plus, ces caractérisations mécaniques ont permis de proposer des éléments de corrélation entre la microstructure et les propriétés mécaniques (module élastique, dureté, comportement à la rayure) des revêtements hybrides MAPTMS/TEOS, qui prennent en compte l’organisation du réseau inorganique et pas seulement le taux de condensation de monomères inorganiques.

During their life, the parquets are subjected to mechanical aggressions and ageing (scratch, friction, wear). UV-curable organic coatings (acrylic) are classically deposited in several layers involving a first layer called “basecoat” and an upper layer called “topcoat”. The latter provides the scratch resistance necessary to the whole system. The coatings were prepared from liquid organic-inorganic precursors that undergo a consequent inorganic polymerization followed by radical UV chain polymerization. In the present work, new organic-inorganic hybrid coatings were elaborated via a sol-gel route and applied as the topcoat in a parquet vitrifying configuration. A structural study in liquid and solid phases allowed the understanding of the inorganic polymerization mechanisms of neat MAPTMS sol and binary MAPTMS/TEOS sols. The self-organization phenomenon of MAPTMS (nano structures e.g. octamer cages) is well-known when it is used as neat precursor. It was also evidenced in the presence of TEOS. Microstructures were proposed for these “hybrid varnishes”, the type of nano structures being dependent on the TEOS content. A local mechanical study, using nanoindentation technique, revealed the reinforcing effect of TEOS within the hybrid coatings. Their scratch behavior was also studied on two scales (“nano” and “micro”) and compared with to that of an industrial reference. On the “nano” scale, the damage thresholds (cracking) of the hybrid coatings are equivalent or even higher to those of the industrial topcoat. On a “micro” scale, an experimental device allowing real time recording of the true contact area between the tip and the sample, showed that elastic-plastic transition is postponed when a hybrid coating is used as a topcoat. Moreover we attempted a correlation between the microstructure and the mechanical properties (elastic modulus, hardness, scratch behavior) of MAPTMS/TEOS hybrid coatings, taking into account the inorganic network organization.