Formulation of hybrid solutions for texturing hydrophobic surfaces using UV-NIL technique

Abstract

Cette recherche porte sur le développement de solutions innovantes réticulées sous UV pour la fabrication de revêtements hydrophobes, en utilisant la technique UV-NIL (Lithographie par Nano-Impression UV) pour la texturation de motifs à l’échelle micrométrique. Ces solutions ont été formulées à base de SilSesquioxane Oligomérique Polyédrique (POSS) pour des applications liées au contrôle du mouillage de surface, en particulier l’hydrophobie. Le développement de ces solutions a été guidé par un cahier des charges prenant en compte des critères tribologiques, chimiques et mécaniques, avec des objectifs vis-à-vis de leur stabilité temporelle, la durabilité des revêtements, ainsi que leur adhésion sur les substrats. Des systèmes basés sur un mélange de Glycidyl POSS (GPOSS) et de Methacryloxypropyl POSS (MPOSS) ont été formulés, en utilisant deux voies simultanés de polymérisation : cationique et radicalaire. Les solutions ont été caractérisées (par spectroscopie IR, viscosimétrie) et appliquées par spin-coating sur des substrats en verre ou en polycarbonate. Les revêtements issus des solutions ont ensuite été réticulés par exposition aux rayons UV et caractérisés selon plusieurs critères : morphologiques (microscopie optique et microscopie électronique à balayage), chimiques (IR), tribologiques (profilomètre) et mécaniques (nanoindentation, test de rayure, test de quadrillage), afin de répondre aux spécifications du cahier des charges. Pour évaluer la mouillabilité de ces revêtements, des mesures d’énergie de surface, d'angle de contact, et d’hystérésis angulaire ont été réalisées. Une analyse de leur mouillabilité après vieillissement a permis d'étudier la durabilité des revêtements vis à vis leurs propriétés hydrophobes. De plus, les solutions ont été suivies au fil du temps afin d’étudier leur durée de vie (shelf-life) lors des méthodes de dépôt et d’embossage. Les revêtements issus de nos travaux présentent un fort potentiel d'application pour la création de surfaces hydrophobes, et ils pourraient également offrir des solutions efficaces pour générer des surfaces antigivre et antigel.This research focuses on the development of innovative UV-crosslinked solutions for creating hydrophobic coatings using UV-NIL technology (UV Nano-Impression Lithography) to texture micrometric patterns. The formulation of these solutions has been based on Polyhedral Oligomeric Silsesquioxane (POSS) and oriented towards surface wetting control applications, more specifically hydrophobicity. The development of these solutions followed ambitious specification requirements considering tribological, chemical, and mechanical aspects, with a focus on long-term stability, durable coatings, and adhesion to substrates. Systems based on a mixture of Glycidyl POSS (GPOSS) and Methacryloxypropyl POSS (MPOSS) were formulated, characterized (IR spectroscopy, viscosimetry), and applied by spin-coating on glass or polycarbonate substrates. These coatings were then crosslinked using UV exposure and characterized visually (optical microscopy, SEM), chemically (IR), tribologically (profilometry), and mechanically (nanoindentation, scratch test, grid test) to meet the requirements of the specification. To assess the wettability of these coatings, measurements of surface energy, contact angle, and hysteresis were performed to achieve optimal hydrophobic solutions. Additionally, aging tests were conducted to study the durability of the coatings while maintaining hydrophobic properties. The behavior of the solutions also was monitored over time (measurements every 3 months along 1 year) to study the shelf-life of the solutions regarding their deposition and embossing performance. The development of coatings with strong hydrophobic potential was based on the formulation of solution families with cationic, radical, and cationic/radical polymerization routes, for various applications such as hydrophobicity, optical effects, antifreeze, and antigel properties, especially on complex and thermally sensitive substrates