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Development of hydrophobic/superhydrophobic anti-fouling photopolymer coatings for PVC reactor
El Fouhaili, Bandar (1985-....)
Résumé
Lors de la polymérisation en suspension du chlorure de vinyle, il se forme sur les parois un dépôt de polychlorure de vinyle (PVC). Ce phénomène, nommé encroûtement, génère des problèmes car il limite la production de PVC et affecte la qualité du produit final.
[...]
Dans ce contexte, un projet FUI (Fond Unique Interministériel) intitulé «Ecoating», a été financé dans le cadre d’une collaboration entre plusieurs partenaires industriels et universitaires (INEOS ChlorVinyls, Mäder Research, Avenir Group, LPIM, ESPCI-ParisTech). Deux thèses ont vu le jour au LPIM, avec pour but de développer un revêtement (photo)polymère aux propriétés anti-encroûtement durables qui permettrait d’améliorer la qualité du PVC produit, d’augmenter les quantités produites et ainsi d’améliorer la compétitivité des usines de PVC. Cette thèse s’inscrit dans le développement d’un vernis photopolymère répondant au cahier des charges. Pour éviter l’encroûtement des réacteurs, il est nécessaire de stopper une étape du mécanisme d’encroûtement comme l'adsorption sur les parois du réacteur d’un copolymère nommé Acvagen Graft Copolymer (AGC). Ce copolymère est très actif dans le phénomène d’encroûtement (site de nucléation) et se trouve principalement dans la phase aqueuse du milieu réactionnel. La stratégie de recherche élaborée dans ce projet a été basée sur le développement d'un revêtement photopolymère présentant une faible affinité pour l'eau et devant adhérer à la surface des réacteurs pour éviter la formation de croûte. Les polymères à base de fluoroacrylates ont été les premiers candidats choisis dans cette étude du fait que leurs propriétés exceptionnelles (faible énergie de surface, stabilité chimique et haute hydrophobicité...) pouvaient éviter l'adsorption de l'AGC sur les parois du réacteur, et par conséquent le développement de la croûte. Une recherche bibliographique a été réalisée pour comprendre le comportement particulier de ces molécules qui migrent vers la surface du film et s’organisent en surface pour donner des surfaces hydrophobes. Des mélanges de résines fluoroacryliques modèles ont été testés pour évaluer le caractère hydrophobe du revêtement, comprendre la migration des molécules de fluor vers l’interface en fonction de la nature de substrat et aussi déterminer l’influence de l’ajout d’additifs fluorés au mélange sur les propriétés globales du film. Cette étude nous a permis de comprendre l’influence de l’additif fluoré sur les propriétés chimiques et physiques du film. À l’échelle du laboratoire des tests d’immersion de ces revêtements déposés sur l’acier inoxydable ont étés réalisés dans l’eau chaude (80°C) afin de caractériser leur caractère hydrophobe en fonction du vieillissement dans l’eau chaude ainsi que l’adhésion du film au substrat. Nous avons observé une diminution de l'hydrophobicité de la surface du film au cours du temps lors d’une immersion. [...].Our scientific approach has explored different strategies to develop a durable UV-cured coating with antifouling properties to prevent the crust formation. Firstly, the potential of fluoroacrylate photocurable coatings was exhaustively investigated. Indeed, their outstanding properties (low surface energy, chemical stability and high hydrophobicity...) could limit the adsorption of the AGC on the reactor walls and further encrusting. A bibliographic research highlighted the behavior of fluorinated monomers on film surface and the parameters affecting the hydrophobic properties. Different fluorinated monomers were selected. At low concentration, they provide hydrophobic surfaces on 316L stainless steel, the reference substrate. However, a decrease of the films surface hydrophobicity in hot water was observed with time, and was attributed to a disorganization of the fluorinated chains on the coating surface. An optimization of the amount of fluoroacrylate monomer was performed by confocal Raman microscopy (CRM) to promote the fluorinated chains stability on the surface before and ater immersion in hot water at 80°C. The beneficial effect was found maximal at a concentration ranging from 1 to 1.8 wt%. However, even after this optimization, a decrease of the film surface hydrophobicity was observed for increased immersion time in hot water. Therefore, optimized fluoroacrylate monomer concentration was combined with alternated thermal/immersion post-treatment and has conducted to more stable photocured films. This result was attributed to a rigidification of the fluorinated chains on the film surface limiting thus, the extent of their disorganization. After this study realized at a laboratory scale, we tested the photocured coating in the VCM pilot reactor. A surface cleaning, an increase of the stainless steel roughness by shot blasting and the use of alkoxysilanes as coupling agents were implemented in order to enhance the adhesion properties of the photopolymer film on stainless steel. In addition, the use of a fluorinated monomer containing a heteroatom improved the rigidification when associated with the alternated thermal/immersion post-treatment. The crust formation was limited during four successive polymerizations in the VCM pilot reactor. A durable anti-fouling UV-coating could be not obtained due to some swelling phenomena resulting from the lack of coating adhesion or some abrasion occurring from small PVC pellets during the PVC polymerization.A second part of this project was dedicated to superhydrophobic coatings. Indeed, reducing interaction with water should lead to a better protection of the substrate. A literature review on the superhydrophobic surfaces has shown that the contact with hot water generally strongly affects their antiwetting properties and induces a large contact angle decrease. [...]
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