Omniphobisation et / ou ignifugation de FIbres naturelles via des molécules à base de SIlicium – OFISI

par Antoine Ishak

Projet de thèse en Chimie et Physico-Chimie des Matériaux

Sous la direction de Claire Longuet et de Rodolphe Sonnier.

Thèses en préparation à l'IMT Mines Alès , dans le cadre de Sciences Chimiques , en partenariat avec PCH - Polymères, composites, hybrides (laboratoire) et de PCH - Polymères, composites, hybrides (equipe de recherche) depuis le 30-09-2020 .


  • Résumé

    Le C2MA a initié il y a quatre ans une étude sur l'influence de la localisation de molécules actives sur le comportement au feu de textiles de lin. Cette étude, faites pour des molécules phosphorées, a pu montrer l'intérêt de contrôler la localisation de la fonctionnalisation, en surface ou à cœur des fibres, elle a également permis de développer une métrologie permettant de comprendre les facteurs influençant la localisation. A la suite de cette étude un élargissement du « spectre chimique » a été envisagé en s'intéressant à des molécules à base de silicium telles que les silicones, les fluorosilicones et les silazanes. L'intérêt de ces molécules est leur possibilité d'action à la fois en terme d'agents omniphobes ainsi qu'en tant que retardateur de flamme par formation d'une couche barrière en présence d'une flamme. A l'heure actuelle les seules solutions commercialisées permettant l'obtention de traitement de surface omniphobe incluent des molécules perfluorées ou hautement fluorées. Le problème de ces solutions est la nature bioaccumulative des molécules perfluorées lorsque leur longueur dépasse C6F14. L'intérêt de la solution envisagée est l'association entre la faible énergie de surface induite par la partie contenant les atomes de silicium agissant sur l'hydrophobie du traitement et la présence de groupements fluorés court de type CF3 qui « booste » l'oléophobie. De plus, au vu de la longueur de la partie fluorée, celle-ci reste non bioaccumulable. La stratégie développée au cours de cette thèse est double, la première partie se focalisera sur la fonctionnalisation des fibres, consistant en l'ajout d'une mono couche en surface des fibres permettant de conserver l'aspect et le comportement mécanique global du tissu. La deuxième voie vise à réaliser un revêtement à la surface du tissu via la formulation d'un traitement de surface « intelligent » s'auto-organisant à la surface de ce dernier afin d'optimiser les propriétés ominophobes souhaitées. L'avantage de cette seconde voie est qu'elle va également permettre l'ajout d'additifs pouvant agir en synergie avec les molécules à base de silicium au cours de la réaction au feu. Le contrôle de l'état de surface permettra de « booster » leur propriétés fonctionnelles afin atteindre des propriétés super-omniphobes. Un pan important de la thèse consistera à optimiser le procédé de dépôt de traitement de surface. Deux voies sont envisagées, la première par sprayage, permettant de limiter l'utilisation de solvant et étant plus « ecofriendly », la seconde par foulardage / imprégnation, permettant le dépôt de formulations plus complexes. La caractérisation et le contrôle de l'épaisseur déposée à la surface des fibres sera un facteur important à quantifier pour pouvoir comprendre l'action de chaque traitement sur l'énergie de surface et sur le comportement au feu. En fonction de l'avancement des travaux il est également envisagée d'adapter les procédés et les traitements développés pour le développement de composites renforcés par des textiles bio-sourcés fonctionnalisés afin d'optimiser l'interface entre le renfort (textile) et la matrice choisie. L'amélioration de l'interface est la clef permettant l'obtention de composites présentant un comportement mécanique optimal, elle est également à la base de la résistance au vieillissement du matériau.

  • Titre traduit

    Omniphobization and / or ignifugation of natural FIbers via molecules based on SIlicium – OFISI


  • Résumé

    The C2MA initiated a study four years ago on the influence of the localization of active molecules on the fire behavior of linen textiles. This study, only with phosphorus molecules, could show the interest of controlling the localization of the functionalization, on the surface or at the heart of the fibers. It also allowed to develop a metrology allowing to understand the factors influencing the localization. Following this study, a broadening of the 'chemical spectrum' was envisaged by focusing on molecules based on silicon such as silicones, fluorosilicones and silazanes. The advantage of these molecules is their possibility of action both in terms of omniphobic agents as well as flame retardants by the formation of a barrier layer in the flame presence. Currently, the only commercially available solutions for achieving omniphobic surface treatment include perfluorinated or highly fluorinated molecules. The problem with these solutions is the bioaccumulative nature of perfluorinated molecules when their length exceeds C6F14. The interest of the envisaged solution is the association between the low surface energy induced by the part containing the silicon atoms acting on the hydrophobicity of the treatment and the presence of short fluorinated groups as CF3 type which 'boosts' the oleophobia. In addition, given the length of the fluorinated part, it remains non-bioaccumulative. The strategy developed during this thesis is twofold, the first part will focus on the functionalization of the fibers, consisting in the addition of a single layer on the surface of the fibers allowing the appearance and overall mechanical behavior of the fabric to be preserved. The second part aims to achieve a coating on the surface of the fabric via the formulation of a 'smart' self-organizing surface treatment on the surface of the latter in order to optimize the desired ominophobic properties. The advantage of this second route is that it will also allow the addition of additives which can act in synergy with the molecules based on silicon during the reaction to fire. Surface texture control will 'boost' their functional properties to achieve super-omniphobic properties. An important part of the thesis will consist of optimizing the surface treatment deposition process. Two ways are envisaged, the first by spraying, making it possible to limit the use of solvent and being more 'ecofriendly', the second by padding / impregnation, allowing the deposit of more complex formulations. The characterization and control of the thickness deposited on the surface of the fibers will be an important factor to quantify in order to be able to understand the action of each treatment on the surface energy and on the fire behavior. Depending on the progress of the work, it is also envisaged to adapt the processes and treatments developed for the development of composites reinforced by functionalized bio-sourced textiles in order to optimize the interface between the reinforcement (textile) and the chosen matrix. Improving the interface is the key to obtaining composites with optimal mechanical behavior, it is also the basis of the material's resistance to aging.