Développement d'une fonctionnalisation de surfaces hybride laser et plasma afin de réduire l'encrassement de moules d'injection d'élastomères

Development of a hybrid laser and plasma surface functionalisation to reduce fouling of elastomer injection molds

• Auteur / Autrice : Ronny Elleb
• Direction : Fabienne Poncin-Epaillard, Thierry Engel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie moléculaire et macromoléculaire
• Date : Soutenance le 17/11/2022
• Etablissement(s) : Le Mans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matière, Molécules Matériaux et Géosciences (Le Mans)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Molécules et Matériaux du Mans (Le Mans ; 2012-....) - Institut des Molécules et Matériaux du Mans / IMMM
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Irepa Laser
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Mermet, Frédéric Antoni
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Laurent Vonna, Gérard Henrion

Mots clés

Mots clés contrôlés

Surfaces hydrophobes

Polymérisation sous plasma

Traitements de surfaces par laser

Matériaux hybrides

Encrassement

Moulage par injection

Mots clés libres

Texturation laser

Polymérisation plasma

Superhydrophobie

Biomimétisme

Laser texturing

Plasma polymerisation

Superhydrophobicity

Biomimetism

Résumé

Le moulage par injection est une technique defabrication de pièces en matières plastiques et élastomères. Au furet à mesure des cycles de moulage et de démoulage, apparaît unencrassement du moule en acier qui altère la qualité des produitsfabriqués, causant des pertes économiques du fait de rebuts deproduction et d’interruptions de la chaîne de production pourmaintenance des moules (nettoyage ou remplacement). Les deuxobjectifs principaux sont de limiter l'encrassement des moules etde faciliter le démoulage, respectivement par la recherche depropriétés d’auto‐nettoyage et d’anti‐adhérence. Pour y parvenir,nos travaux ambitionnent de révolutionner les stratégiesexistantes en couplant texturation laser et fonctionnalisationchimique de surface.Cette thèse est une étude approfondie aussi bien théoriquequ'expérimentale des thématiques physique des lasers et chimiedes plasmas avec couplage synergique de ces technologies en vuede l’obtention d’un caractère superhydrophobe.L'objet des recherches se scinde en trois parties : la déterminationdu procédé laser, permettant l'obtention d'une texturation doubleéchelle (micro/nano) non-mouillante sur des surfaces en acier ; laréalisation par PECVD (plasma enhanced chemical vapordeposition) de dépôts renforçant le caractère hydrophobe obtenupar texturation ; l’association des deux technologies, autrementdit, la mise en relation des meilleurs candidats des deux premiersaxes d’études.Le résultat voulu est une surface garantissant des propriétés antiencrassementdes moules métalliques compatible avec leur usage.La technique de texturation par laser femtoseconde sur lesmétaux a largement démontré son efficacité, notamment sur larecherche de la morphologie à double échelle mimée sur la feuillede lotus. Une nano-rugosité de surface peut être obtenue par unbalayage irradiant, générant ainsi des aspérités périodiquescommunément appelées LIPSS (pour Laser-Induced PeriodicSurface Structure). Des micro-reliefs sont également réalisables parablation laser de trajectoires bien déterminées. Toutefois, cetaspect morphologique est une condition nécessaire mais passuffisante pour concrétiser l'effet lotus. La nature génèrecontinuellement une surcouche organique en contact direct avecles liquides, en l'occurrence, l'eau pour les mesures d'angle decontact ; chimie présentant elle-même un caractère hydrophobequi peut être accentué par ces reliefs si particuliers.En parallèle, une étude la plus vaste possible est exécutée pourchaque précurseur connu pour leur caractère hydrophobe afin depromouvoir les bons candidats pour effectuer ces dépôts sur deséchantillons métalliques bruts puis texturés. Ces études consistentà déposer sous vide un polymère plasma. La phase plasma étantconstituée du composé unique ou mélangé à un gaz porteur, lesdébits et la puissance étant les principaux paramètres de contrôle.

Injection molding is a technique for manufacturingplastic and elastomer parts. As the moulding and demouldingcycles progress, the steel moulds become clogged, which altersthe quality of the products manufactured, causing economiclosses due to production rejects and interruption of the productionline for mould maintenance (cleaning or replacement). The twomain objectives are to limit the fouling of the molds and tofacilitate the demolding, respectively by the research of selfcleaningand anti-adhesion properties. To achieve this, our workaims to revolutionize existing strategies by coupling lasertexturing and chemical surface functionalization.This thesis is a deep theoretical and experimental study of laserphysics and plasma chemistry with synergistic coupling of thesetechnologies in order to obtain a superhydrophobic behavior.The object of the research is divided into three parts: thedetermination of the laser process, allowing the obtaining of adouble scale (micro/nano) non-wetting texturing on steelsurfaces; the realization by PECVD (plasma enhanced chemicalvapor deposition) of deposits reinforcing the hydrophobiccharacter obtained by texturing; the association of the twotechnologies, in other words, the connection of the bestcandidates of the first two axes of study.The desired result is a surface guaranteeing anti-foulingproperties of metal molds compatible with their use.The femtosecond laser texturing technique on metals has largelydemonstrated its efficiency, in particular on the search for thedouble scale morphology mimicked on the lotus leaf. A surfacenano-roughness can be obtained by irradiating scanning,generating periodic asperities commonly called LIPSS (for Laser-Induced Periodic Surface Structure). Micro-reliefs can also beobtained by laser ablation of well defined trajectories. However,this morphological aspect is a necessary but not sufficientcondition to achieve the lotus effect. Nature continuouslygenerates an organic overcoat in direct contact with liquids, inthis case, water for contact angle measurements; this chemistryhas itself a hydrophobic character which can be accentuated bythese so particular reliefs.In parallel, the largest possible study is carried out for eachprecursor known for their hydrophobic character in order topromote the good candidates to carry out these deposits on rawand then textured metal samples. These studies consist indepositing under vacuum a plasma polymer, made by a singleprecursor or mixed with a carrier gas, the flow rates and thepower being the main control parameters.