Durabilité en eau chlorée d’un revêtement PEAA sur fonte : impact de la microstructure

Durability of a PEAA coating on cast iron in a chlorinated environment: impact of microstructure

• Auteur / Autrice : Nicolas Perrier
• Direction : Xavier Colin
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur spécialité Matériaux
• Date : Soutenance en 2025
• Etablissement(s) : Paris, ENSAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Pimm - Laboratoire Procédés et ingénierie en mécanique et matériaux
• Jury : Président / Présidente : Pierre-Olivier Bussiere
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lassâad Dammak, François-Xavier Perrin, Johanna Saunier, Coralie Teulere, Xavier Colin, Sébastien Roland
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Lassâad Dammak, François-Xavier Perrin

Mots clés

Mots clés libres

Vieillissement en eau chlorée

Peaa

Perte en antioxydants

Perte d'adhésion

Clusters d'acide

Aging in chlorinated water

Peaa

Antioxidants loss

Adhesion loss

Acidic clusters

Résumé

Saint-Gobain Pont-à-Mousson produit des canalisations en fonte ductile destinées aux réseaux d’eau potable. Ces tuyaux sont revêtus intérieurement d’un copolymère thermoplastique, le poly(éthylène-co-acide acrylique), pour lequel les propriétés barrière sont indispensables dans la protection de la fonte contre la corrosion. Or, en certains points du réseau de distribution, l’hypochlorite de sodium est injecté afin d’assurer la potabilité de l’eau, ce qui peut limiter fortement la capacité du revêtement à protéger la fonte et impose donc une durée d’utilisation. Cette thèse étudie alors les mécanismes de vieillissement de ce revêtement en eau chlorée. Il est d’abord démontré le rôle fondamental des acides sur les propriétés physico-chimiques et thermiques du copolymère. La réalisation de liaisons hydrogène entre les acides conduit à la formation de clusters qui réduisent la perte de mobilité des chaînes en plus d’imposer une distribution des antioxydants phénoliques entre les phases éthylène et les clusters. Les antioxydants distribués autour des clusters sont désactivés affaiblissant la capacité de protection du copolymère. Il est démontré qu’au cours du vieillissement en eau chlorée, une partie des antioxydants est transférée vers les acides et une seconde partie est consommée par les espèces chlorées. L’ensemble conduit à une déstabilisation progressive du copolymère. Enfin, en parallèle de la perte d’antioxydants, une diminution de l’adhésion du revêtement exposé au chlore a été observée, qui serait due à la présence d’eau à l’interface. Ainsi, la durée d’utilisation a en partie pu être estimée. Cette étude pourrait être complétée par une analyse plus approfondie du mécanisme d’oxydation du copolymère.

Saint-Gobain Pont-à-Mousson produces ductile iron steel pipes designed for drinking water networks. These pipes are coated on their internal surface with a thermoplastic copolymer, poly(ethylene-co-acrylic acid), whose barrier properties are essential in the protection of the iron steel against corrosion. However, sodium hypochlorite is injected at certain points of the distribution network to ensure water potability, which can significantly limit the coating's ability to protect the iron steel and, therefore, imposes a lifetime. This thesis studies the aging mechanisms of this coating in a chlorinated water. First, it demonstrates the role of the copolymer’s acids on its physico-chemical and thermal properties. The formation of hydrogen bonds between the acids, gathered in clusters, reduces chain mobility and also imposes a distribution of a phenolic antioxidants between the ethylene phase and the clusters. The antioxidants distributed around the clusters are deactivated, so the protective capacity of the copolymer is reduced. It is shown that, during aging in chlorinated water, some of the antioxidants move to the acids, and another part is consumed by chlorinated species. This leads to a progressive destabilization of the copolymer. Finally, along with the loss of antioxidants, a reduction in the adhesion of the coating exposed to chlorine was observed due to the presence of water at the interface. As a result, the lifetime life has been estimated. To go further, a more in depth analysis of the copolymer’s oxidation mechanism could be done.