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

In this thesis, graphene-based nanocomposite thin films were developed for the first time bynon-equilibrium atmospheric plasma to improve the corrosion resistance properties of E24carbon steel and 2024 aluminum. A specific strategy was proposed and consists in atomizing apolymerizable colloidal suspension via a nebulizer into the discharge zone to obtainnanocomposite layers in a single step. Two types of plasma discharge have been studied, adielectric barrier discharge (DBD) and a plasma jet (APPJ), for the growth of nanocompositelayers with an organosilicon matrix from a colloidal solution obtained by dispersing graphenenanosheets in a hexamethyldisiloxane solution (HMDSO). The coatings were characterized bySEM, 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 homogeneousdispersion of the graphene sheets in the polymer matrix, and the coatings obtained by DBD areless porous and have a more organic character than those obtained by APPJ. The anti-corrosionproperties of the nanocomposites were evaluated by electrochemical impedance spectroscopyand show an improvement of the corrosion protection effect, with an increase under optimalconditions 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 inthe plasma polymer matrix has the effect of reducing the porosity of the layers, increasing thecorrosion resistance, and also improving the hardness and elastic modulus of thenanocomposites which are important points for industrial applications.; Dans cette thèse, des couches minces nanocomposites à base de graphène ont été élaborées pourla première fois par plasma atmosphérique hors équilibre pour améliorer les propriétés derésistance à la corrosion de l’acier au carbone E24 et de l’aluminium 2024. Une stratégiespécifique a été mise en oeuvre et consiste à atomiser une suspension colloïdale polymérisablevia un nébuliseur dans la zone de décharge plasma pour obtenir en une seule étape des couchesnanocomposites. Deux types de décharge plasma ont été étudiées, une décharge à barrièrediélectrique (DBD) et un jet de plasma (APPJ), pour la croissance de couche nanocomposites àmatrice organosilicié à partir d’une solution colloïdale obtenue par dispersion de feuillets degraphène dans une solution d’hexaméthyldisiloxane (HMDSO). Les revêtements ont étécaractérisés par MEB, FTIR, XPS et Raman en fonction des paramètres de la décharge plasmatels 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 matricepolymère, et les dépôts obtenus par DBD sont moins poreux et ont un caractère plus organiqueque ceux obtenus par APPJ. Les propriétés anticorrosion des nanocomposites ont été évaluéespar spectroscopie d’impédance électrochimique et mettent en évidence l’augmentation del’effet protecteur contre la corrosion, avec une augmentation jusqu’à 3 ordres de grandeur de larésistance au transfert de charge sur l’acier traité. Les résultats obtenu dans cette thèsepermettent de démontrer que l’incorporation de feuillets de graphène dans la matrice depolymère plasma a pour effet de diminuer la porosité des couches, d’augmenter la résistance àla corrosion, et d’améliorer également la dureté et le module élastique des nanocomposites cequi constitue un aspect important pour les applications industrielles.