Modification de surface de l'acier inoxydable pour limiter l'encrassement laitier

Surface engineering of stainless steel for dairy fouling management

• Auteur / Autrice : Manon Saget
• Direction : Maude Jimenez, Yannick Coffinier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 02/05/2022
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Lille ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : UMET - Unité Matériaux et Transformations - Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie
• Jury : Président / Présidente : Guillaume Delaplace
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Valérie Lechevalier, Olivier Furling, Guillaume Damblans, Vincent Thomy
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Patrick Choquet, Stéphane Valette

Mots clés

Mots clés contrôlés

Huile de coprah

Siloxanes

Ablation laser (fabrication)

Dépôt chimique en phase vapeur activé par plasma

Industrie laitière -- Technique

Échangeurs de chaleur -- Encrassement

Traitements de surface

Nettoyage

Surfaces

Acier inoxydable

Mots clés libres

Bicouche plasma

Surface glissante bio-inspirée

Surface modification

Dairy products

Anti-Fouling

Plasma bilayer

Coconut-SLIS

Résumé

Les industries laitières sont extrêmement impactées par l’encrassement des équipements de pasteurisation et de stérilisation. Une des solutions envisagées pour limiter l’adhésion de l’encrassement consiste à modifier la surface de l’acier inoxydable des échangeurs thermiques. Différent types de revêtements, limitant l’adhésion ou facilitant le nettoyage, ont précédemment démontré des résultats prometteurs. Cependant ces revêtements doivent être durables et compatibles avec les aliments. Cette thèse vise donc à développer des surfaces stables, non toxique et durables à haute température et en régime turbulent. Des techniques de modification de surface innovantes ont été utilisées pour concevoir ces revêtements : (i) dépôt de couches minces par plasma à pression atmosphérique et (ii) surfaces glissantes bio-inspirées obtenues par ablation laser et infusion/imprégnation d’un lubrifiant. La première technique a permis de déposer des couches minces d’hexaméthyldisiloxane (HMDSO) facilitant le nettoyage de l’encrassement mais présentant une faible durabilité. Le dépôt en alternance de deux précurseurs (HMDSO et 1H,1H,2H,2H perfluorooctyltriethoxysilane) a également été étudié. Cela a permis de déposer des bicouches originales, stables et superhydrophobes. Les paramètres de dépôt pourront encore être optimisés pour améliorer leur nettoyabilité (réduction de l’encrassement après rinçage : 72%). Les surfaces glissantes bio-inspirées (SLIS) ont été fabriquées suivant trois étapes : (i) structuration de l’acier inoxydable par ablation laser, (ii) modification chimique de la surface structurée et (iii) imprégnation avec un lubrifiant d’huile. Une optimisation des paramètres laser a permis d’atteindre rapidement divers types de microstructures de différentes profondeurs. L’huile fluorée habituellement infusée a été remplacée par de l’huile de coco, rendant la surface compatible au contact alimentaire. Malgré une faible durabilité dûe à la perte d’huile, les surfaces glissantes infusées à l’huile de coco ont permis de faciliter le nettoyage (réduction de l’encrassement après rinçage : 114%).

In dairy industries, production costs are highly impacted by the deposition of fouling onto equipment. Promising coatings to prevent fouling adhesion (i.e. anti-fouling) or to ease fouling removal (i.e. fouling-release) were previously developed. Nonetheless, their durability and food-compatibility were limited. Consequently, to overcome these limitations, this work aims at designing coatings based on innovative surface modification techniques and concepts: (i) polymer deposition by atmospheric pressure plasma torch and (ii) bioinspired slippery surfaces by femtosecond laser ablation and oil infusion. The first technique allowed the deposition of hexamethyldisiloxane (HMDSO) which demonstrated good fouling-release performances but did not allow the durability improvement. The alternative deposition of two precursors (HMDSO and 1H,1H,2H,2H perfluorooctyltriethoxysilane) was studied. Superhydrophobic and very stable bilayers were deposited onto stainless steel, showing good but still improvable fouling-release properties (fouling reduction of 72%). The second research axis consisted in designing slippery liquid-infused surfaces (SLIS) following three steps: (i) laser structuration of stainless steel, (ii) chemical modification of structured surface and (iii) lubricant impregnation. An optimization of laser parameters allowed to reach quickly various types of deep microstructures. Food-compatible SLIS were developed by replacing fluorine-based lubricant by coconut oil. Although a poor durability due to a loss of oil, coconut-SLIS exhibited promising fouling-release performances with a fouling deposit reduction of 114%.