Revêtements sans PFAS

Les substances alkylperfluorées et polyfluorées, ou PFAS, sont pratiquement imbattables en termes de fonctionnalité : elles sont extrêmement résistantes aux produits chimiques et à la chaleur, et c’est précisément pour cette raison qu’elles font l’objet de pressions réglementaires. Pourtant, leur remplacement est loin d’être simple. Les PFAS réduisent les frottements, protègent les composants contre l’usure et la corrosion, empêchent l’accumulation de dépôts et maintiennent les propriétés de fonctionnement d’urgence lorsque les films lubrifiants défaillent. Pour ces raisons, toute alternative nécessite non seulement un nouveau matériau, mais aussi un moyen fiable de l’appliquer sur une grande variété de composants.

Dans le cadre des projets RePEEK, EPOS, LEMBAS et pureWaterSeal, l’institut Fraunhofer ILT développe des procédés basés sur le laser pour appliquer des revêtements haute performance sans PFAS sur de grands composants métalliques, des paliers lisses, des joints d’étanchéité et des rouleaux en élastomère sensibles. Selon l’application, le laser peut déposer des matériaux de revêtement, les faire fondre localement ou structurer la surface de manière sélective. Comme il délivre de l’énergie précisément là où cela est nécessaire, et ce pendant un court laps de temps seulement, le laser permet aux ingénieurs de traiter des matériaux de substitution sans PFAS qui, autrement, nécessiteraient des traitements en four très gourmands en énergie ou des températures susceptibles d’endommager le composant sous-jacent.

Le matériau à lui seul ne résout pas le problème

« À première vue, le remplacement des PFAS semble simple : il suffit d’éliminer un matériau problématique et de le remplacer par un autre », explique le Dr Samuel Moritz Fink, responsable du groupe de traitement des couches minces au Fraunhofer ILT. « Dans la pratique, cependant, le défi est bien plus complexe. Les matériaux contenant des PFAS sont souvent utilisés précisément là où les composants sont soumis aux contraintes mécaniques les plus élevées. »

Les matériaux de substitution doivent adhérer de manière fiable au métal, aux plastiques ou au caoutchouc, résister à des températures élevées, rester solidement liés sous contrainte et pouvoir être appliqués de manière économique, même sur des composants de très grande taille. « Le polyétheréthercétone, ou PEEK, est un matériau très intéressant tant d’un point de vue chimique que mécanique », explique M. Fink. « Cependant, il ne présente pas automatiquement toutes les propriétés du PTFE (polytétrafluoroéthylène). Le PEEK est plus rigide, plus coûteux et, selon l’application, plus difficile à mettre en œuvre. Pour de nombreux composants industriels, le choix d’une autre poudre, d’un autre film ou d’un autre polymère ne constitue donc qu’une partie de la solution. »

Le véritable défi réside dans le processus de fabrication. Comment le matériau de remplacement est-il appliqué sur la surface ? Comment se lie-t-il au composant ? Et comment les ingénieurs peuvent-ils empêcher que les substrats sensibles à la chaleur ne soient endommagés pendant le traitement ?

« Nous ne considérons pas les alternatives aux PFAS comme une simple question de matériaux », explique le Dr Christian Vedder, responsable du département Technologie des surfaces et ablation à l’Institut Fraunhofer ILT. « Nos recherches se concentrent sur les procédés de fabrication basés sur le laser qui nous permettent de mettre au point de manière sélective des systèmes de revêtement innovants. » Ces procédés laser interviennent précisément dans les domaines où les matériaux de substitution ne peuvent pas encore, à eux seuls, offrir les performances requises. Ils structurent les surfaces, améliorent l’adhérence entre le revêtement et le composant, et modifient localement les systèmes de revêtement sans chauffer inutilement l’ensemble de la pièce.

RePEEK : revêtements en PEEK issus d’un procédé hybride

Dans le cadre du projet RePEEK, l’équipe d’ingénierie des surfaces étudie comment des revêtements à base de PEEK peuvent être appliqués sur des composants métalliques utilisés dans des systèmes mobiles soumis à de fortes contraintes. Elle se concentre sur des applications en génie mécanique, notamment les grands paliers lisses, les joints d’étanchéité, les pistons et les électrovannes.

Les grands paliers lisses utilisés dans les éoliennes illustrent particulièrement bien ce défi. Un arbre tourne à l’intérieur d’une coquille de palier revêtue, qui est actuellement protégée, dans la plupart des cas, par des systèmes de revêtement à base de PTFE. Comme son nom l’indique, RePEEK remplace le PTFE par du PEEK.

« Aujourd’hui, le PEEK est souvent appliqué sur de grands composants soit sous forme de film, soit sous forme de poudre qui est ensuite fixée par la chaleur », explique Samuel Fink. « Cette approche peut bien fonctionner pour les petits composants. Cependant, avec des pièces métalliques pesant plusieurs tonnes, cela devient bien plus compliqué. Il faut chauffer l’ensemble du composant dans un four à haute température, puis le refroidir lentement. » Ce procédé consomme d’importantes quantités d’énergie, prend beaucoup de temps et chauffe bien plus de matière que ce qui est réellement nécessaire pour le revêtement lui-même.

Les chercheurs utilisent d’abord un procédé de dépôt par laser pour créer une couche superficielle métallique. Cette surface délibérément rugueuse assure un ancrage mécanique au polymère. Ils appliquent ensuite de la poudre de PEEK dans le même environnement de traitement et la font fondre localement à l’aide du laser. Le polymère s’ancre dans la surface métallique rugueuse, créant ainsi un revêtement composite composé d’une couche fonctionnelle métallique et d’une couche de finition à base de PEEK.

L’équipe a mis au point une buse spécialement conçue pour la poudre de PEEK et a déjà déposé une demande de brevet pour ce procédé. La buse cyclonique réduit considérablement le débit de gaz, ce qui permet à la poudre d’atteindre la surface à une vitesse bien moindre au lieu de rebondir dessus. En conséquence, le procédé utilise plus efficacement la poudre appliquée et est plus facile à contrôler.

EPOS : revêtements multicouches en PEEK pour les grands paliers lisses

S'appuyant sur le projet RePEEK, Delil Idris Demir, du Fraunhofer ILT, étudie comment des revêtements à base de PEEK peuvent être déposés de manière fiable en plusieurs couches sur de grands composants de paliers lisses. L'application du revêtement étape par étape permet d'obtenir des épaisseurs de revêtement plus importantes sans avoir à chauffer entièrement dans un four des composants pesant plusieurs tonnes. ACS Coating Systems apporte sa vaste expérience dans le domaine des revêtements en PEEK, en particulier pour les applications de paliers lisses. L’entreprise développe ces systèmes de revêtement depuis le milieu des années 1990 et produit aujourd’hui des revêtements dont l’épaisseur varie de quelques micromètres à un millimètre. Le directeur général, le Dr Christoph Stecher, apporte son soutien au projet en mettant à disposition son expertise en matière de conception de revêtements, d’application à l’échelle industrielle et de transition vers une production à grande échelle.

La société Polymer Service GmbH Merseburg (PSM), dirigée par le Dr Katrin Reincke, teste et évalue les systèmes de revêtement ainsi obtenus. Leurs travaux portent sur la cristallinité, la microstructure et les caractéristiques thermiques de la couche de PEEK, ainsi que sur ses propriétés mécaniques et thermomécaniques. Ces données permettront d’optimiser à la fois le procédé laser et la stratégie de revêtement multicouche, afin que le revêtement adhère uniformément au substrat et résiste aux contraintes mécaniques à long terme rencontrées dans les paliers lisses. EPOS réunit ainsi l’expertise du Fraunhofer ILT en matière de développement de procédés laser, l’expérience industrielle d’ACS dans le domaine des technologies de revêtement et l’expertise de PSM en science des matériaux.

LEMBAS : revêtements antiadhésifs pour rouleaux en élastomère sensibles

Le projet LEMBAS se concentre sur les rouleaux en élastomère utilisés dans la fabrication de films, l’industrie de l’emballage, la production de papier et la technologie médicale. Dans ces applications, même de petites particules libérées par la surface du rouleau peuvent rapidement poser problème.

« Les revêtements en silicone sont encore largement utilisés pour ces applications », explique Adam El-Sarout, également membre du groupe de traitement des couches minces au Fraunhofer ILT. « Bien qu’ils offrent les propriétés antiadhésives requises, ils ne garantissent pas toujours la durabilité exigée par les processus de fabrication à grande vitesse d’aujourd’hui. » En collaboration avec le spécialiste des revêtements Rhenotherm, l’équipe LEMBAS développe des procédés de fabrication par laser utilisant des polymères haute performance tels que le PEEK, le polyamide et le polypropylène. Par rapport au silicone, ces matériaux offrent une meilleure résistance à l’usure, une stabilité chimique améliorée et une durée de vie plus longue, le tout sans recourir aux PFAS.

« Le véritable défi réside dans la fenêtre de traitement », explique El-Sarout. « Les polymères haute performance nécessitent des températures de fusion élevées, mais les élastomères tels que l’EPDM ne supportent qu’une chaleur limitée. Chauffer un rouleau en caoutchouc entier dans un four endommagerait le substrat. » Le laser résout précisément ce problème en générant des températures élevées uniquement là où elles sont nécessaires et pendant un temps très court au sein du matériau de revêtement. La couche fonctionnelle fond, tandis que la composante élastomère située en dessous reste largement protégée contre les dommages thermiques.

Pour garantir une adhérence à long terme, les chercheurs développent non seulement le revêtement antiadhésif lui-même, mais aussi une couche intermédiaire qui protège l’élastomère et renforce la liaison avec la couche de finition fonctionnelle. Ils adaptent également les propriétés optiques et rhéologiques des matériaux au procédé laser, tout en étudiant des méthodes appropriées de revêtement et de prétraitement au laser.

« Un matériau de remplacement doit faire plus que simplement fournir la fonctionnalité requise », explique M. Vedder. « Il doit également être compatible avec le composant, les limites de température du substrat et le processus de fabrication. » Si cette étape est couronnée de succès, le procédé offre plusieurs avantages : une usure réduite, moins de contaminants dans le produit, moins de nettoyage et une consommation de solvants moindre, ainsi que des besoins énergétiques nettement inférieurs à ceux des procédés conventionnels utilisant des fours.

pureWaterSeal : joints sans PFAS pour lubrifiants à base d’eau

Dans le cadre du projet pureWaterSeal, des chercheurs des instituts Fraunhofer de technologie laser (ILT) et de mécanique des matériaux (IWM) développent des joints durables qui éliminent le recours aux PFAS et fonctionnent avec des lubrifiants à base d’eau. Ce projet répond simultanément à deux défis environnementaux : les PFAS persistent indéfiniment dans l’environnement, tandis que les lubrifiants à base d’huile contaminent les sols et l’eau.

« Environ un million de tonnes de lubrifiants à base d’huile sont consommées chaque année en Allemagne », explique Matthias Laermann, responsable de l’équipe de structuration des surfaces au Fraunhofer ILT. « Un seul litre d’huile peut contaminer jusqu’à un million de litres d’eau souterraine. Cela entraîne notamment la pollution des sols, la contamination des chaînes alimentaires et la dégradation des écosystèmes. Nous développons des solutions qui répondent simultanément à ces deux défis. »

Des chercheurs du Fraunhofer IWM ont mis au point des revêtements en carbone adamantin (DLC) spécialement destinés aux composants polymères sans PFAS. L’équipe du Fraunhofer ILT a ensuite utilisé un laser pour structurer le revêtement, ce qui a permis de soulager localement les contraintes internes et les charges mécaniques sans compromettre la stabilité globale du revêtement. Parallèlement, la combinaison du revêtement et de la structuration au laser réduit le frottement, améliore la résistance à l’usure et prolonge la durée de vie des joints.

Les premiers prototypes sont déjà en service dans des pompes utilisées dans des centrales géothermiques. En collaboration avec des partenaires industriels, les chercheurs adaptent désormais ces joints à d’autres applications, notamment les véhicules particuliers, les hélices de navires, les éoliennes et les machines agricoles. Parallèlement, l’équipe se prépare à transposer cette technologie à des systèmes de plus grande envergure et à la production industrielle.

Le laser rend la transition des matériaux réalisable

Les différents projets menés au Fraunhofer ILT montrent que le remplacement des PFAS ne se résume pas à la simple substitution d’un matériau par un autre. Il nécessite également des procédés de fabrication et d’ingénierie des surfaces capables d’appliquer ces nouveaux matériaux de manière fiable. C’est là que le laser joue un rôle clé. Il dépose des matériaux de manière localisée, les fait fondre précisément là où cela est nécessaire ou structure des revêtements fonctionnels sans exercer de contrainte thermique inutile sur le composant sous-jacent.

Cela offre une plus grande flexibilité à l’industrie. Elle n’a pas à attendre un substitut unique capable de répondre à toutes les applications des PFAS. En collaboration avec des partenaires industriels, le Fraunhofer ILT développe des systèmes de revêtement sur mesure adaptés à divers composants et exigences : des surfaces à faible frottement pour les paliers lisses, des revêtements antiadhésifs résistants à l’usure pour les rouleaux, et des systèmes d’étanchéité sans PFAS pour les lubrifiants à base d’eau.