Design, Fabrication and Application of Polymeric Porous Media

par Yajie Li

Thèse de doctorat en Mécanique-matériaux

Sous la direction de Azita Ahmadi-Sénichault, Aziz Omari et de Hongting Pu.

Soutenue le 09-03-2018

à Paris, ENSAM en cotutelle avec Tongji university (Shanghai, Chine) , dans le cadre de École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris) , en partenariat avec Institut de mécanique et d'ingénierie de Bordeaux (laboratoire) et de Institut de Mécanique et d'Ingénierie de Bordeaux (laboratoire) .

Le président du jury était Jie-Sheng Chen.

Le jury était composé de Azita Ahmadi-Sénichault, Aziz Omari, Hongting Pu, Henri Bertin, Qiaolong Yuan.

Les rapporteurs étaient Olivier Atteia, Hongbin Zhang.

  • Titre traduit

    Conception, Fabrication et Application de Milieux Poreux Polymériques


  • Résumé

    Le polymère poreux (PM) associe les avantages double des matériaux poreux et des polymères, ayant la structure unique de pore, la porosité supérieure et la densité inférieure, ce qui possède une valeur d’application importante dans les domaines de l'adsorption, le soutien de catalyseur, le séparateur de batterie, la filtration, etc. Actuellement, il existe plusieurs façons de préparer le PM, comme la méthode de gabarit, la méthode de séparation de phase, la méthode d'imagerie respiratoire, etc. Chacune des méthodes ci-dessus existe ses propres avantages, mais la préparation à grande échelle de PM à structure de pore contrôlable et aux fonctions spécifiques est toujours un objectif à long terme sur le domaine et l'un des principaux objectifs de ce mémoire. La co-extrusion de microcouche est une méthode pour produire de façon efficace et successive des polymères avec des structures de couches alternées, ayant les avantages de haute efficacité et faible coût. Par conséquent, sur les exigences structurelles de PM de l’application spécifique, ce mémoire a conçu le PM avec une structure spécifique et une co-extrusion de microcouche de manière créative combinée avec la méthode traditionnelle de préparation de PM (méthode de gabarit, méthode de séparation de phase), en combinant les avantages des deux méthodes, les PM avec une structure de pore idéale peuvent être préparés en grande quantité et l’on peut également explorer son application dans les séparateurs de batteries au lithium-ion et l'adsorption d'hydrocarbures aromatiques polycycliques.Le plus important, dans la deuxième partie de cet essai, se trouve que la simulation micro-numérique est utilisée pour étudier le transport et le dépôt de particules dans des milieux poreux pour explorer le mécanisme des matériaux poreux dans les domaines de l'adsorption et du séparateur de batterie. Le code de 3D-PTPO (un modèle tridimensionnel de suivi des particules combinant Python® et OpenFOAM®) est utilisé pour étudier le transport et le dépôt de particules colloïdales dans des milieux poreux, l’on adopte trois modèles (colonne, venturi et tube conique) pour représenter différentes formes de matériaux poreux. Les particules sont considérées comme des points matériaux pendant le transport, le volume des particules sera reconstitué et déposé comme partie de la surface du matériau poreux pendant le dépôt, la caractéristique principale de ce code est de considérer l'influence du volume des particules déposées sur la structure des pores, les lignes d'écoulement et le processus du dépôt des autres particules. Les simulations numériques sont d'abord conduites dans des capillaires simples, le travail de chercheurs de Lopez et d’autres est réexaminé en établissant un modèle géométrique tridimensionnel plus réaliste et il explore les mécanismes cachés derrière les règles de transmission et de dépôt. Par la suite, des simulations numériques sont effectuées dans des capillaires convergents-divergents pour étudier la structure des pores et l'effet de nombre Peclet sur le dépôt de particules. Enfin, l’on étudie l’effet double de l'hétérogénéité de surface et de l'hydrodynamique sur le comportement de dépôt de particules.


  • Résumé

    Due to the combination of the advantages of porous media and polymer materials, polymeric porous media possess the properties of controllable porous structure, easily modifiable surface properties, good chemical stability, etc., which make them applicable in a wide range of industrial fields, including adsorption, battery separator, catalyst carrier, filter, energy storage, etc. Although there exist various preparation methods, such as template technique, emulsion method, phase separation method, foaming process, electrospinning, top-down lithographic techniques, breath figure method, etc., the large-scale preparation of polymeric porous media with controllable pore structures and specified functions is still a long-term goal in this field, which is one of the core objectives of this thesis. Therefore, in the first part of the thesis, polymeric porous media are firstly designed based on the specific application requirements. Then the designed polymeric porous media are prepared by the combination of multilayer coextrusion and traditional preparation methods (template technique, phase separation method). This combined preparation method has integrated the advantages of the multilayer coextrusion (continuous process, economic pathway for large-scale fabrication, flexibility of the polymer species, and tunable layer structures) and the template/phase separation method (simple preparation process and tunable pore structure). Afterwards, the applications of the polymeric porous media in polycyclic aromatic hydrocarbons adsorption and lithium-ion battery separator have been investigated.More importantly, in the second part of the thesis, numerical simulations of particle transport and deposition in porous media are carried out to explore the mechanisms that form the theoretical basis for the above applications (adsorption, separation, etc.). Transport and deposition of colloidal particles in porous media are of vital important in other applications such as aquifer remediation, fouling of surfaces, and therapeutic drug delivery. Therefore, it is quite worthy to have a thorough understanding of these processes as well as the dominant mechanisms involved. In this part, the microscale simulations of colloidal particle transport and deposition in porous media are achieved by a novel colloidal particle tracking model, called 3D-PTPO (Three-Dimensional Particle Tracking model by Python® and OpenFOAM®) code. The particles are considered as a mass point during transport in the flow and their volume is reconstructed when they are deposited. The main feature of the code is to take into account the modification of the pore structure and thus the flow streamlines due to deposit. Numerical simulations were firstly carried out in a capillary tube considered as an element of an idealized porous medium composed of capillaries of circular cross sections to revisit the work of Lopez and co-authors by considering a more realistic 3D geometry and also to get the most relevant quantities by capturing the physics underlying the process. Then microscale simulation is approached by representing the elementary pore structure as a capillary tube with converging/diverging geometries (tapered pipe and venturi tube) to explore the influence of the pore geometry and the particle Péclet number (Pe) on particle deposition. Finally, the coupled effects of surface chemical heterogeneity and hydrodynamics on particle deposition in porous media were investigated in a three-dimensional capillary with periodically repeating chemically heterogeneous surfaces.


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