Fonctionnalisation de couches minces de dioxyde de titane et de la cellulose nanocristalline, sous forme de couches minces et de poudre, au moyen d’une décharge à barrière diélectrique à la pression atmosphérique.

Matouk, Zineb (2021). Fonctionnalisation de couches minces de dioxyde de titane et de la cellulose nanocristalline, sous forme de couches minces et de poudre, au moyen d’une décharge à barrière diélectrique à la pression atmosphérique. Thèse. Québec, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 165 p.

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Résumé

La mouillabilité d’un matériau est un facteur clé dans diverses applications comme les peintures, l’emballage, le collage ou même en biologie. Cela justifie l’importance du rôle des techniques de modification et traitement des surfaces, notamment au moyen de plasmas pour le nettoyage fin, l'activation simultanée ou le revêtement fonctionnel des surfaces. Les espèces produites dans le plasma réagissent avec la surface et l'activent de sorte que des fonctionnalités hydrophiles ou hydrophobes peuvent s'y attacher. Contrairement aux techniques complexes et coûteuses de traitement par plasma à basse pression, les plasmas à pression atmosphérique présentent l’avantage de permettre un traitement en continu mieux adapté aux applications industrielles plutôt que par lots. Parmi ces procédés, les décharges à barrières diélectriques à la pression atmosphérique permettent de mettre en place des procédés verts pouvant facilement être intégrés sur une chaine de production industrielle. Dans ce contexte, ce travail de thèse s’inscrit dans cette thématique de fonctionnalisation des matériaux par décharge à barrière diélectrique à la pression atmosphérique. Dans la première partie de ce travail, la décharge à barrière diélectrique a été utilisée comme outil pour le dépôt et la fonctionnalisation simultanée de nanocomposites superhydrophiles TiO2@carbone. Les nanocomposites sont synthétisés en injectant des nanoparticules de TiO₂ en suspension dans de l'isopropanol dans une décharge à barrière diélectrique générée dans un mélange gazeux N₂/N₂O. L'influence de la tension de la décharge sur la mouillabilité des nanocomposites TiO₂@C a été examinée. L'angle de contact a été considérablement réduit de 93° pour la poudre de référence à moins de 5° pour les nanocomposites déposés à plus fort voltage. Ainsi, le procédé que nous avons mis au point a permis de modifier la surface du matériau en la rendant hydrophile, ce qui présente un intérêt pour l’élaboration de surfaces autonettoyantes. Dans la deuxième partie, nous nous sommes intéressés à la fonctionnalisation de films de nanocellulose. Des plasmas formés de mélanges d’argon et de méthane, d'ammoniac et de silane ont été utilisés pour favoriser la fonctionnalisation de la surface hydrophile de ces films en modifiant leur composition chimique et/ou leur rugosité. Nos résultats montrent que l'utilisation de plasmas avec la chimie appropriée, à savoir Ar/CH₄, Ar/NH3 et Ar/SiH₄, peut favoriser l'hydrophobicité ou l'hydrophilicité des films de nanocellulose sans toutefois affecter leur cristallinité. Enfin, nous avons étudié la fonctionnalisation de poudres de nanocellulose. Des plasmas formés dans des mélanges d'argon avec du méthane (Ar/CH₄) ou du silane (Ar/SiH₄) et une combinaison successive de ces deux mélanges (Ar/CH₄ suivi par Ar/SiH₄) ont été utilisés afin de favoriser la dispersion de la poudre. nanocellulose dans les solvants organiques. Les résultats montrent que selon la composition du gaz plasmagène, différentes fonctionnalités peuvent être favorisées à la surface de la nanocellulose. Tous les traitements ont conduit à l’hydrophobicité de la nanocellulose initialement hydrophile, l'hydrophobie la plus élevée étant obtenue avec les mélanges gazeux Ar/SiH₄ et Ar/CH₄-SiH₄. Comme dans le cas des films de nanocellulose, la cristallinité de la nanocellulose demeure inchangée. Par conséquent, le procédé que nous avons développé peut modifier la surface hydrophile de la nanocellulose en la rendant superhydrophobe, ce qui est crucial pour des applications telles que des barrières à l’humidité et aux gaz. Enfin, ces résultats montrent que la décharge à barrière diélectrique à la pression atmosphérique est une méthode efficace et peu coûteuse pour des traitements de surface uniformes qui peuvent ultérieurement être utilisés comme des matériaux à haute valeur ajoutée dans diverses applications pour créer des surfaces autonettoyantes, pour la décontamination de l'air ou de l'eau ou même comme barrière à l’humidité et aux gaz. Leur intégration envisageable dans les lignes de production pourrait procurer un avenir intéressant à ce type de procédés dans un futur rapproché.

The wettability of a material is of paramount importance in various applications such as painting, packaging, bonding or even biology. This justifies the importance of the role of surface modification and treatment techniques by practical means such as plasmas for fine cleaning, simultaneous activation, or functional coating of surfaces. The species produced in the plasma react with the surface and activate it so that hydrophilic or hydrophobic functionalities can attach to it. Unlike complex and expensive low pressure plasma processing techniques, atmospheric pressure plasmas offer the advantage of allowing continuous processing better suited to industrial applications rather than batches. Moreover, as a green process, the possibility of integrating it into an industrial production chain makes the dielectric barrier discharges at atmospheric pressure attractive. In this context, this thesis deals with this theme of functionalization of materials by dielectric barrier discharge at atmospheric pressure. In the first part of this work, the dielectric barrier discharge was used as a tool for the simultaneous deposition and functionalization of superhydrophilic TiO₂@carbon nanocomposites. Accordingly, nanocomposites were synthesized by injecting TiO₂ nanoparticles suspended in isopropanol into a dielectric barrier discharge generated in a N₂/ N₂O gas mixture. The influence of discharge voltage on the wettability of TiO₂@carbon nanocomposites was examined. The contact angle was significantly reduced from 93 ° for the reference powder to less than 5 ° for the nanocomposites deposited at high voltage. Thus, the process developed in this study effectively modified the surface of the material by increasing its hydrophilicity, which is of interest for the development of self-cleaning surfaces. In the second part, a special interest was devoted to the functionalization of nanocellulose films. Plasmas formed of mixtures of argon and methane, ammonia and silane were used to promote the functionalization of the hydrophilic surface of these films by modifying their chemical composition and/or roughness. Our results show that the use of plasmas with the appropriate chemistry, namely Ar/CH₄, Ar /NH3 and Ar/SiH₄, can alter the hydrophobicity or hydrophilicity of nanocellulose films without affecting their crystallinity. Finally, we studied the functionalization of nanocellulose powders. Plasmas formed in mixtures of argon with methane (Ar/CH₄) or silane (Ar/SiH₄) and a successive combination of these two mixtures (Ar/CH₄ followed by Ar/SiH₄) were used to promote the dispersion of the nanocellulose powder in organic solvents. The results show that depending on the composition of the plasma gas, different functionalities can be formed on the surface of the nanocellulose. All treatments led to the hydrophobicity of the initially hydrophilic nanocellulose, the highest hydrophobicity being obtained with the Ar/SiH₄ and Ar/CH₄-SiH₄ gas mixtures. In the case of nanocellulose films, the crystallinity of nanocellulose remained unchanged. Therefore, the developed process can modify the hydrophilic surface of nanocellulose by making it superhydrophobic, which is of importance for applications such as moisture and gas barrier. In conclusion, the obtained results show that dielectric barrier discharge at atmospheric pressure is an effective and inexpensive method for uniform surface treatments that can be used as high added-materials in various applications to create self-cleaning surfaces, for air or water decontamination or even as a barrier to moisture and gases. Their possible integration into production lines could open new avenues for these kinds of processes in the future.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Chaker, Mohamed
Mots-clés libres:	décharge à barrière diélectrique; plasma atmosphérique; TiO₂@C; nanocomposites; hydrophile; hydrophobe; film de nanocellulose; poudre de nanocellulose; traitement de surface; dielectric barrier discharge; atmospheric plasma; nanocomposites; hydrophilic; hydrophobic; nanocellulose film; nanocellulose powder; surface treatment
Centre:	Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt:	07 déc. 2022 21:04
Dernière modification:	24 janv. 2023 16:03
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/13130

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