Les surfaces superhydrophobes trouvent de nombreuses applications dans divers domaines, notamment l'étanchéité, l'antibuée, l'autonettoyage, la résistance à la corrosion, le dégivrage et la réduction de la résistance à l'écoulement, grâce à leurs propriétés uniques. Cependant, la production en série de revêtements superhydrophobes économiques, peu toxiques, faciles à appliquer et durables demeure un défi.
Dans la nature, on trouve une grande variété de matériaux à base de carbonate de calcium, dotés de propriétés mécaniques supérieures et d'une composition simple, ce qui a suscité un vif intérêt chez les scientifiques. Grâce à des recherches approfondies sur les mécanismes de nucléation et de croissance du carbonate de calcium, il est possible de réguler la biominéralisation, ce qui ouvre de nombreuses applications dans des domaines tels que les revêtements anti-salissures et anti-tartre, les produits autonettoyants et la séparation huile-eau.
De nombreuses études ont démontré que la faible énergie de surface et la rugosité de la structure sont les principaux facteurs influençant la superhydrophobie, et ces aspects ont toujours constitué les axes de recherche majeurs en matière de modification du carbonate de calcium. En résumé, la modification du carbonate de calcium vise à réduire son énergie de surface tout en préservant sa dispersibilité et en augmentant l'angle de contact afin de garantir son hydrophobie.
Quel type de carbonate de calcium est le plus adapté aux revêtements fonctionnels ? Comment puis-je le modifier ? Quel est le résultat obtenu ?
Gu Weile et al. ont synthétisé deux formes cristallines différentes de poudre de carbonate de calcium, qu'ils ont ensuite mélangées à du polydiméthylsiloxane (PDMS) à faible énergie de surface pour obtenir un revêtement superhydrophobe. Leurs propriétés autonettoyantes et leur résistance aux chocs ont été testées. Les expériences ont montré que le dosage optimal de tensioactifs stéarate de sodium (NaSt) et oléate de sodium (NaOL) est de 5%, ce qui maximise l'effet de modification et l'hydrophobie du carbonate de calcium. L'angle de contact du carbonate de calcium de type aragonite modifié par le stéarate de sodium à 5% est de 127,5°, et celui du carbonate de calcium de type calcite modifié par l'oléate de sodium à 5% est de 115,4°. Des recherches complémentaires ont porté sur l'influence de différentes quantités de carbonate de calcium cristallin sur l'hydrophobie des revêtements, avec des angles de contact de 151,4° et 153,2° pour les revêtements de carbonate de calcium de type calcite et aragonite, respectivement. Enfin, les propriétés autonettoyantes et de résistance aux chocs des revêtements superhydrophobes ont été évaluées. Les résultats ont montré qu'après un test d'impact avec une goutte d'eau de 500 mL, l'angle de contact des deux revêtements superhydrophobes à base de carbonate de calcium cristallin restait supérieur à 140°, conservant ainsi une excellente hydrophobie.
Cheng Yuan et son équipe ont utilisé des fibres de carbonate de calcium (FCC) et des nanoparticules de carbonate de calcium (NPCC) comme charges pour élaborer des revêtements superhydrophobes. Cette élaboration repose sur la modification de la surface des poudres, l'optimisation du rapport de revêtement, l'utilisation d'une couche d'apprêt et de finition, ainsi que sur des techniques de polissage. Les recherches ont démontré qu'après 15 cycles de frottement, l'angle de contact du revêtement atteint 153,88° et l'angle de roulement 9,20°. Ce revêtement présente d'excellentes propriétés autonettoyantes et se répare facilement.
Sur quels substrats peut-on appliquer des revêtements fonctionnels à base de carbonate de calcium ?
Fibre
La technologie d'enduction humide utilisant des fibres de polyamide recyclées est la principale méthode de fabrication de textiles enduits, tels que les rubans tissés de marque, et constitue également un moyen important de recyclage physique de ces fibres. Elle présente de faibles coûts de production et d'excellentes performances. Le carbonate de calcium est une poudre inorganique bon marché, non toxique et inoffensive, couramment utilisée comme charge dans cette technologie. Il permet d'améliorer l'épaisseur, la blancheur et la résistance du revêtement de surface des rubans tissés de marque.
Lei Pengfei et al. ont utilisé une méthode de synthèse in situ de l'acide oléique pour préparer une charge de revêtement à base de carbonate de calcium destinée au revêtement humide de polyamide. L'angle de contact du film de revêtement a diminué de 8,29°, la longueur d'encre sur le tissu revêtu a diminué de 10,42 mm et le pH du tissu revêtu a atteint 7,27. L'absorption de l'encre a été améliorée et le pH est désormais plus conforme aux normes de sécurité textile.
Jiang Jikang et al. ont utilisé un modificateur synthétique, le DOPO, pour greffer du carbonate de calcium modifié, obtenant ainsi une dispersion uniforme dans les revêtements en polyamide. Ces revêtements présentent une structure poreuse claire et duveteuse. Le pH du tissu enduit, en milieu humide, est de 7,02, ce qui répond aux exigences environnementales. Le temps d'absorption de l'encre est de 89 secondes, la longueur d'impression est de 53,4 mm, le code-barres imprimé est net et sans défaut, et sa qualité atteint le niveau A.
Chen Zhijie et al. ont utilisé des composants ignifuges à base de silicium et de phosphore comme modificateurs de couplage afin d'améliorer leur dispersion et de leur conférer des propriétés ignifuges. Pour ce faire, ils ont créé un revêtement en polyamide 6 lisse, plat, poreux et mince sur le tissu. Leurs recherches ont démontré que le carbonate de calcium modifié présente une bonne lipophilie et que le tissu ainsi revêtu de polyamide 6 offre une bonne protection contre le feu.
Béton
La technologie des revêtements de surface est une mesure efficace pour améliorer la durabilité du béton, et les revêtements superhydrophobes dotés de propriétés imperméables, antigivrage et autonettoyantes constituent actuellement l'un des principaux sujets de recherche.
Xu Huafeng et al. ont utilisé la polydopamine pour induire la minéralisation du carbonate de calcium à la surface du béton et réduire in situ les ions argent en nanoparticules d'argent, afin de construire des structures rugueuses micro-nanocomposites. Ils les ont ensuite modifiées hydrophobiquement avec un silane à faible énergie de surface pour obtenir des revêtements superhydrophobes biomimétiques à base de carbonate de calcium fonctionnalisé. Les résultats ont montré qu'en milieu marin normal et simulé, le volume d'absorption d'eau des échantillons de revêtement composite diminuait respectivement de 90,31 µL/3 et 93,44 µL/3 par rapport aux échantillons non traités, démontrant ainsi de bonnes propriétés d'étanchéité. Après des frottements répétés de l'échantillon de revêtement composite sur une surface de papier de verre sur une distance équivalente à 5 mètres, l'angle de contact du revêtement restait supérieur à 140°, avec une diminution de seulement 6,87 µL/3, témoignant d'une bonne résistance à l'usure.
Afin d'améliorer la résistance à la corrosion et à la pollution des bâtiments extérieurs en grès, Wen Yaping et al. ont synthétisé un revêtement à base de carbonate de calcium modifié par des acides gras. Ce revêtement utilise le carbonate de calcium comme matériau de base et des acides gras comme agents de modification hydrophobes, par réaction en phase liquide. Les recherches ont montré que la taille moyenne des grains du carbonate de calcium vatérite modifié par l'acide octadécanoïque est relativement importante (31 nm) et que la rugosité de surface du grès varie considérablement. L'angle d'hydrophobie peut atteindre 119°, le niveau de résistance à la pollution est de 5 et le taux d'absorption d'eau est seulement de 1,01 TP3T. Comparé à des échantillons de grès traités avec un revêtement non modifié, ce revêtement améliore efficacement la résistance à la pollution de surface du grès.
Verre
Yuan Zhiqing et al. ont mis au point une méthode simple et efficace de préparation de revêtements superhydrophobes à base de polydiméthylsiloxane (PDMS)/CaCO₃. Le revêtement obtenu peut être appliqué sur différents supports, tels que le papier kraft, les lames de verre et les plaques de cuivre. Après dépôt sur un support en verre et séchage à température ambiante, l'angle de contact de la surface revêtue atteint 160° et l'angle de glissement est inférieur à 3°. Le test de cisaillement démontre que le revêtement superhydrophobe P3 présente une résistance mécanique au cisaillement et une adhérence élevées, et permet d'obtenir une surface superhydrophobe stable. Des essais en extérieur ont montré que la préparation de revêtements autonettoyants à base de résine silicone et de carbonate de calcium modifié par l'acide stéarique permet de conserver plus de 85 % de la transparence des panneaux de verre, avec un angle de contact d'environ 110° et de bonnes propriétés antibuée. Après quatre mois d'exposition en extérieur, les propriétés autonettoyantes restent globalement intactes.
Métal
Actuellement, le comportement autonettoyant des matériaux de panneaux muraux suscite un vif intérêt, et ce comportement est généralement obtenu par la création de surfaces hydrophobes. Liu Changyang et al. ont déposé uniformément une couche de carbonate de calcium d'environ 20 microns d'épaisseur sur la surface d'un alliage magnésium-néodyme, améliorant ainsi la résistance à la corrosion de cet alliage dans des fluides interstitiels de béton simulés contenant des ions chlorure. L'utilisation de perfluorodécyltriéthoxysilane pour la modification chimique des échantillons revêtus permet d'améliorer leur capacité autonettoyante.
À l'heure actuelle, les revêtements fonctionnels à base de carbonate de calcium trouvent des applications dans de nombreux domaines tels que l'emballage, les arts de la table, les matériaux de construction, les matériaux écologiques, le textile, les revêtements, les produits pharmaceutiques, etc. Face à la demande croissante de réduction des coûts et d'amélioration de l'efficacité dans les entreprises, l'utilisation des revêtements fonctionnels à base de carbonate de calcium se généralisera à l'avenir et la technologie d'application gagnera progressivement en maturité.