Nanocomposite coatings based on graphene and organosilicized polymer deposited by atmospheric pressure plasma : application to carbon steel corrosion protection

Dans cette thèse, des couches minces nanocomposites à base de graphène ont été élaborées pour la première fois par plasma atmosphérique hors équilibre pour améliorer les propriétés de résistance à la corrosion de l’acier au carbone E24 et de l’aluminium 2024. Une stratégie spécifique a été mise en œuvre et consiste à atomiser une suspension colloïdale polymérisable via un nébuliseur dans la zone de décharge plasma pour obtenir en une seule étape des couches nanocomposites. Deux types de décharge plasma ont été étudiées, une décharge à barrière diélectrique (DBD) et un jet de plasma (APPJ), pour la croissance de couche nanocomposites à matrice organosilicié à partir d’une solution colloïdale obtenue par dispersion de feuillets de graphène dans une solution d’hexaméthyldisiloxane (HMDSO). Les revêtements ont été caractérisés par MEB, FTIR, XPS et Raman en fonction des paramètres de la décharge plasma tels que la puissance, les débits de gaz plasmagène et de monomère et le temps de traitement. Les analyses montrent une dispersion homogène des feuillets de graphène dans la matrice polymère, et les dépôts obtenus par DBD sont moins poreux et ont un caractère plus organique que ceux obtenus par APPJ. Les propriétés anticorrosion des nanocomposites ont été évaluées par spectroscopie d’impédance électrochimique et mettent en évidence l’augmentation de l’effet protecteur contre la corrosion, avec une augmentation jusqu’à 3 ordres de grandeur de la résistance au transfert de charge sur l’acier traité. Les résultats obtenu dans cette thèse permettent de démontrer que l’incorporation de feuillets de graphène dans la matrice de polymère plasma a pour effet de diminuer la porosité des couches, d’augmenter la résistance à la corrosion, et d’améliorer également la dureté et le module élastique des nanocomposites ce qui constitue un aspect important pour les applications industrielles.In this thesis, graphene-based nanocomposite thin films were developed for the first time by non-equilibrium atmospheric plasma to improve the corrosion resistance properties of E24 carbon steel and 2024 aluminum. A specific strategy was proposed and consists in atomizing a polymerizable colloidal suspension via a nebulizer into the discharge zone to obtain nanocomposite layers in a single step. Two types of plasma discharge have been studied, a dielectric barrier discharge (DBD) and a plasma jet (APPJ), for the growth of nanocomposite layers with an organosilicon matrix from a colloidal solution obtained by dispersing graphene nanosheets in a hexamethyldisiloxane solution (HMDSO). The coatings were characterized by SEM, FTIR, XPS and Raman as a function of the plasma discharge parameters such as power, plasma gas and monomer flow rates and treatment time. The analyses show a homogeneous dispersion of the graphene sheets in the polymer matrix, and the coatings obtained by DBD are less porous and have a more organic character than those obtained by APPJ. The anti-corrosion properties of the nanocomposites were evaluated by electrochemical impedance spectroscopy and show an improvement of the corrosion protection effect, with an increase under optimal conditions of up to 3 orders of magnitude in the resistance to charge transfer on treated steel. The results obtained in this thesis demonstrate that the incorporation of graphene nanosheets in the plasma polymer matrix has the effect of reducing the porosity of the layers, increasing the corrosion resistance, and also improving the hardness and elastic modulus of the nanocomposites which are important points for industrial applications