Development of a smart coating based on hollow nanoparticles for corrosion detection and protection

par Pierre Loison

Thèse de doctorat en Génie des matériaux

Sous la direction de Juan Creus et de Sébastien Touzain.

  • Titre traduit

    Développement d’un revêtement intelligent pour la détection et la protection contre la corrosion


  • Résumé

    Dans de nombreux domaines, et particulièrement dans le secteur aérospatial, la corrosion est un problème majeur qui engendre d’importants coûts de maintenance et de réparation. Il est donc crucial de protéger les pièces soumises à des environnements agressifs. Dans ce but, une solution originale et prometteuse consiste à détecter et ralentir la corrosion dès ses prémices, en utilisant des revêtements capables de réagir dès son initiation. Récemment, de nombreuses études ont été réalisées en ce sens, développant des revêtements sensibles aux processus électrochimiques liés à la corrosion, faisant partie de la catégorie des revêtements dits « intelligents ». Les travaux présentés, financés par ArianeGroup, visent à développer des nanocapsules contenant un inhibiteur de corrosion. Ces capsules, formées suivant un procédé de mini-émulsion, sont ensuite intégrées à un revêtement organique, appliqué sur un substrat d’acier ou d’alliage d’aluminium. Lors d’une élévation locale de pH, observée lors de la corrosion des substrats métalliques, ces capsules sont capables de relarguer leur contenu. Les travaux présentés décrivent la synthèse et la caractérisation des nanocapsules, ainsi que leur incorporation dans une matrice organique à base aqueuse. Des capsules à cœur hydrophile et hydrophobe ont été envisagées avant de concentrer les recherches sur des capsules de silice à cœur hydrophobe dont le diamètre moyen est d’environ 180 nm. L’encapsulation et le relargage d’un inhibiteur de corrosion, le 2-mercaptobenzothiazole, sont décrits et les propriétés inhibitrices mises en évidence. Dans un deuxième temps, l‘impact de l’addition de capsules sur les propriétés du polymère est étudié, principalement par spectroscopie d’impédance électrochimique. Le système présenté peut potentiellement être adapté à la détection de la corrosion en remplaçant l’agent inhibiteur par un capteur de corrosion.


  • Résumé

    In various domains, but especially in the space industry, protection of metallic structures against corrosion is a foremost objective because of maintenance and fixing costs in harsh environments. In order to preserve their integrity, a promising and original solution consists in detecting and slowing down corrosion as soon as it appears by developing a corrosion-sensitive and reactive coating. Recently, numerous studies have searched for the development of functional surfaces able to locally react to corrosion-related stimuli, belonging to the category of smart coatings. This PhD project, granted by ArianeGroup, is focused on this objective and deals with the development of nanocapsules containing corrosion inhibitors. These nanocapsules, formed through a miniemulsion process, are incorporated within an organic coating, applied on top of either steel of aluminum alloy substrates. The formed nanocapsules are then able to release their payload using a pH increase as a trigger. A pH change is indeed expected during cathodic activity, appearing at the early stages of the substrate degradation. This work describes the synthesis and characterization of nanocapsules, as well as their incorporation within an organic waterborne matrix. Both hydrophilic and hydrophobic-core capsules have been investigated before focusing on oil-core silica nanocapsules with diameter ca. 180 nm. In the first part, the release of a model inhibitor, namely 2-mercaptobenzothiazole (MBT) has been investigated and the inhibiting properties demonstrated. Then, the impact of capsules addition on coating integrity and properties has been studied using mainly electrochemical impedance spectroscopy. Potential enhancements of the proposed system are discussed. This system could be adapted and used for early detection of corrosion, using a corrosion sensor instead of the encapsulated inhibitor.


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