Caractérisation des performances physiques et chimiques de couches minces d'oxycarbonitrure de silicium SiOxCyNz soumises à des attaques chimiques en solution aqueuse
La délamination des verres représente un défi persistant dans l'industrie de la production d'emballages pharmaceutiques en verre depuis de nombreuses années. Avec les avancées constantes et la recherche de nouveaux principes actifs sensibles, la nécessité de conditions de stockage rigoureu...
محفوظ في:
| المؤلف الرئيسي: | |
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| مؤلفون آخرون: | , , , , , , , |
| التنسيق: | Thèse numérique |
| اللغة: | Français |
| منشور في: |
2024.
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| الموضوعات: | |
| الوصول للمادة أونلاين: | Accès au texte intégral https://theses.univ-orleans.fr/public/2024ORLE1111_va.pdf http://www.theses.fr/2024ORLE1111/abes https://theses.hal.science/tel-05239875 |
| ملاحظة: |
Titre provenant de l'écran-titre Ecole(s) Doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....) Partenaire(s) de recherche : Conditions extrêmes et matériaux : haute température et irradiation (Orléans ; 2008-...) (Laboratoire) Autre(s) contribution(s) : Anne-Lise Thomann (Président du jury) ; Frederico Garrido, Odile Majerus, Emmanuelle Gouillart, Frédéric Angeli, Eric Tomasella, Babacar Diallo (Membre(s) du jury) ; Frederico Garrido, Odile Majerus (Rapporteur(s)) |
| Autres localisations: | Voir dans le Sudoc |
| Variante du titre: | Characterization of the physical and chemical performance of silicon oxycarbonitride thin films (SiOxCyNz) subjected to chemical attacks in aqueous solution |
| الملخص: | La délamination des verres représente un défi persistant dans l'industrie de la production d'emballages pharmaceutiques en verre depuis de nombreuses années. Avec les avancées constantes et la recherche de nouveaux principes actifs sensibles, la nécessité de conditions de stockage rigoureuses pour garantir la stabilité et l'intégrité des médicaments jusqu'à leur administration est devenue primordiale. Par conséquent, il est impératif d'améliorer la résistance chimique et mécanique des flacons pharmaceutiques classiques. Ces améliorations visent à prévenir la délamination, qui pourrait compromettre la sécurité et l'efficacité des médicaments, ainsi qu'à répondre aux normes de qualité et de sécurité de l'industrie pharmaceutique en constante évolution. Les couches minces représentent une route prometteuse pour renforcer la résistance et la stabilité des flacons pharmaceutiques, en offrant une barrière supplémentaire contre les facteurs environnementaux et chimiques qui peuvent provoquer la délamination. Dans ce contexte, cette thèse a pour objectif d'étudier les performances chimiques et mécaniques de couches minces amorphes d'oxycarbonitrure de silicium, vis-à-vis de l'altération chimique, en comparaison avec le flacon de verre vierge. Les films minces ont été déposés par CVD (Chemical Vapor Deposition) atmosphérique à basse température (450-650ů) en collaboration avec le LGC de Toulouse. Les études portent sur des dépôts issus de plusieurs voies chimiques et pour différents jeux de paramètres expérimentaux (température, débits...) déployant une large gamme de compositions allant de la silice SiO2 à des réseaux silicatés SiOxNyCz fortement substitués. La durabilité chimique et la tenue mécanique de ces films ont été évaluées après avoir exposé ces couches à des atmosphères humides ou à des solutions aqueuses acides et basiques, et à des températures variables pour des périodes de temps successives. En appliquant une gamme diversifiée de techniques de caractérisation des matériaux, telles que les techniques IBA (Analyses par faisceau d'ion), ToF-SIMS (Spectroscopie de masse des ions secondaires par temps de vol) XPS (Spectroscopie de Photoélectrons X), la spectroscopie FTIR (Spectroscopie Infrarouge à Transformée de Fourier), la RMN du solide (Résonance Magnétique Nucléaire), ainsi que des techniques d'imagerie telles que le MEB (Microscopie Electronique à Balayage) et l'AFM (Microscopie à Force Atomique), nous avons été en mesure de suivre de manière approfondie l'évolution des profils chimiques élémentaires de surface, l'évolution de la structure, de l'état de liaison des motifs moléculaires et des changements de rugosité et de morphologie des matériaux au cours de leur altération. Parallèlement, les propriétés mécaniques, telles que la dureté et le module de Young, ont également été scrutées et analysées au cours du processus d'altération, en collaboration avec le CIRIMAT de Toulouse. Ces évolutions ont été étroitement corrélées à la composition chimique et à la qualité du réseau atomique initial du matériau. Des essais effectués sur des systèmes complémentaires obtenus par pulvérisation réactive assistée par Plasma ECR en collaboration avec les instituts de chimie ICCF et l'institut Pascal de Clermont-Ferrand, ont offert des perspectives complémentaires pour interpréter les phénomènes observés avec les films CVD (Dépôt Chimique en Phase Vapeur) et affiner l'interprétation des mécanismes en jeu. Ces expériences ont permis de mesurer les vitesses d'altération de couches SiOxNyCz extrêmement performantes, et de mieux comprendre leur réactivité vis-à-vis des conditions environnementales. Ces résultats sont essentiels pour évaluer leur stabilité et leur durabilité dans des applications réelles pour lesquelles ces films constituent des matériaux d'intérêt. Glass delamination has been a persistent challenge in the pharmaceutical glass packaging industry for many years. With continuous advancements and the development of new sensitive active ingredients, the need for stringent storage conditions to ensure the stability and integrity of medications until their administration has become paramount. Consequently, it is crucial to improve the chemical and mechanical resistance of conventional pharmaceutical vials. These improvements aim to prevent delamination, which could compromise the safety and efficacy of drugs, while also meeting the evolving quality and safety standards of the pharmaceutical industry. Thin films represent a promising approach to enhancing the strength and stability of pharmaceutical vials by providing an additional barrier against environmental and chemical factors that may cause delamination. In this context, the objective of this thesis is to study the chemical and mechanical performance of amorphous silicon oxycarbonitride thin films in comparison to bare glass vials, with respect to chemical degradation. The thin films were deposited using low-temperature atmospheric Chemical Vapor Deposition (CVD) (450-650ů) in collaboration with LGC in Toulouse. The studies focus on coatings produced via several chemical routes and under different experimental parameters (temperature, flow rates, etc.), deploying a wide range of compositions from silica (SiO2) to highly substituted silicate networks (SiOxNyCz). The chemical durability and mechanical resistance of these films were evaluated after exposing the coatings to humid atmospheres or aqueous solutions of varying pH and temperatures for successive periods of time. By applying a diverse range of material characterization techniques such as IBA (Ion Beam Analysis), ToF-SIMS (Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry), XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy), FTIR spectroscopy (Fourier Transform Infrared Spectroscopy), solid-state NMR (Nuclear Magnetic Resonance), and imaging techniques like SEM (Scanning Electron Microscopy) and AFM (Atomic Force Microscopy), we were able to thoroughly monitor the evolution of surface elemental chemical profiles, structural changes, bonding states of molecular motifs, and alterations in the roughness and morphology of the materials during degradation. In parallel, mechanical properties such as hardness and Young's modulus were also examined and analyzed during the degradation process, in collaboration with CIRIMAT in Toulouse. These changes were closely correlated with the chemical composition and the quality of the material's initial atomic network. Experiments conducted on complementary systems obtained by plasma-assisted reactive sputtering (ECR plasma) in collaboration with the chemistry institutes ICCF and the Pascal Institute in Clermont-Ferrand provided additional insights into interpreting the phenomena observed with CVD films, refining our understanding of the mechanisms of alteration. These experiments enabled the measurement of degradation rates of highly performant SiOxNyCz coatings and a deeper understanding of their reactivity under environmental conditions, which is crucial for assessing their stability and durability in concrete applications where these films are of interest. |
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| وصف المادة: | Titre provenant de l'écran-titre Ecole(s) Doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....) Partenaire(s) de recherche : Conditions extrêmes et matériaux : haute température et irradiation (Orléans ; 2008-...) (Laboratoire) Autre(s) contribution(s) : Anne-Lise Thomann (Président du jury) ; Frederico Garrido, Odile Majerus, Emmanuelle Gouillart, Frédéric Angeli, Eric Tomasella, Babacar Diallo (Membre(s) du jury) ; Frederico Garrido, Odile Majerus (Rapporteur(s)) |
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