Durabilité d'un revêtement nanostructuré d'oxyde de zinc élaboré par procédé chimie douce pour des surfaces antibactériennes et autonettoyantes

Durability of a zinc oxide nanostructured coating formulated by soft chemistry for antibacterial and self-cleaning surfaces

• Auteur / Autrice : Elodie Niemiec
• Direction : Arnaud Tricoteaux, Philippe Champagne
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 04/10/2021
• Etablissement(s) : Valenciennes, Université Polytechnique Hauts-de-France
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale polytechnique Hauts-de-France (Valenciennes, Nord ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de matériaux céramiques et de mathématiques (Valenciennes, Nord ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement délivrant conjointement le doctorat : Institut national des sciences appliquées Hauts-de-France (Valenciennes, Nord ; 2019-....)
• Jury : Président / Présidente : Sébastien Saitzek
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Arnaud Tricoteaux, Philippe Champagne, Karine Anselme, Marie-Joëlle Menu, Véronique Vitry, Philippe Moreau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Karine Anselme, Marie-Joëlle Menu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Revêtement de surface

Chimie des surfaces

Traitements de surface

Chimie douce

Mots clés libres

Revêtement

Chimie douce

Nano-structuration

Autonettoyant

Antibactérien

Durabilité

Coating

Soft chemistry

Nanostructuration

Self-cleaning

Antibacterial

Durability

Résumé

Cette étude est focalisée sur l’élaboration d’un revêtement nanostructuré par procédé chimie douce afin d’obtenir des propriétés antibactériennes et autonettoyantes. La stratégie adoptée a été de mettre en place une méthode chimique en voie aqueuse peu énergivore pour des raisons environnementales : le protocole adopté met en jeu la formation d’oxyde de zinc nanométrique par voie liquide à des températures inférieures à 100°C. En premier lieu, nous nous sommes attachés à étudier la relation entre la méthode de préparation du substrat et la durabilité du revêtement final déposé (état de surface initial, géométrie de la pièce…). Afin d’améliorer la tenue des germes initiateurs de croissance, un gel de silice a été mis au point, optimisé et préalablement déposé sur le substrat comme base d’accroche chimique. Le choix de l’oxyde de zinc en tant que cristallites nano-structurants apporte ensuite un caractère photo-catalytique qui active la dégradation de diverses substances organiques (salissures, bactéries). Cette propriété a par ailleurs été vérifiée via d’une part l’étude de la mortalité de bactéries modèles et d’autre part le suivi de décoloration d’un colorant, le bleu de méthylène, permettant de simuler une salissure. Les tests avec des souches bactériennes communes comme E. coli ont été réalisés et ont montré une prolifération plus réduite sur une surface traitée comparé à une surface nue. Une population de bactéries 3 à 4 fois moins importante sur la surface a été relevée. Il y a également 3 fois plus de mortalité dans les eaux de lavage. Ceci montre une difficulté d’accroche des bactéries ainsi qu’un effet de mortalité induit par le revêtement. Un dépôt en phase vapeur d’une molécule à longue chaîne carbonée permet d’accroître la propriété superhydrophobe de la surface, empêchant ainsi un dépôt de salissure et réduisant l’utilisation de produits de nettoyage, sans pour autant amoindrir les propriétés recherchées. La durabilité mécanique du revêtement a également été étudiée afin de vérifier le maintien des propriétés autonettoyantes à l’usage. Un test tribologique sur-mesure a été élaboré pour permettre de simuler le frottement d’un doigt sur la surface. Malgré l’usure constatée des aiguilles, le revêtement conserve son caractère hydrophobe et sa capacité de dégradation. Il a également été observé que la couche superhydrophobe se dégradait en priorité au profit de l’intégrité des nano-aiguilles.

This study is focused on the development of a nanostructured coating by soft chemistry in order to obtain antibacterial and self-cleaning properties. The strategy adopted was to implement an energy-efficient aqueous chemical method for environmental reasons: the adopted protocol involves the formation of nanometric zinc oxide rods using a liquid route at temperatures below 100 ° C. First, we studied the relationship between the substrate preparation method and the durability of the final deposited coating (initial surface condition, part geometry, etc.). In order to improve the resistance of growth-initiating germs, a silica gel has been developed, optimized and previously deposited on the substrate as a chemical bonding base. The choice of zinc oxide as nanostructuring crystallites then provides a photo-catalytic characteristic which activates the degradation of various organic substances (dirt, bacteria). This property has also been verified by firstly studying the mortality of model bacteria and secondly by monitoring the discoloration of a dye, methylene blue, to simulate soiling. Tests with common bacterial strains like E. coli have been performed and have shown less proliferation on a treated surface compared to a bare surface. A population of bacteria 3 to 4 times less important on the surface was noted. There is also 3 times more mortality in washing water. This shows the difficulty of bacteria to attach on the surface as well as a mortality effect induced by the coating. Vapor deposition of a long carbon chain molecule increases the superhydrophobic property of the surface, thereby preventing soil deposition and reducing the use of cleaning products, without reducing the desired properties. The mechanical durability of the coating has also been studied in order to verify the maintenance of the self-cleaning properties in use. A tailored tribological test has been developed to simulate the friction of a finger on the surface. Despite the observed wear of the needles, the coating retains its hydrophobic character and its ability to degrade. It has also been observed that the superhydrophobic layer degrades in priority for the benefit of the integrity of the nano-needles.