Etude expérimentale modèle de l'imbibition capillaire de substrats poreux à volume et structure de pores ajustables

Model experimental study of capillary imbibition of porous substrates with adjustable volume and pore structure

• Auteur / Autrice : Dorra Dallel
• Direction : Hamidou Haidara
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 05/12/2012
• Etablissement(s) : Mulhouse
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale pluridisciplinaire Jean-Henri Lambert, ED 494 (Mulhouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Science des Matériaux de Mulhouse

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux poreux

Absorption

Mots clés libres

Force capillaire

Cinétique d'imbibition

Milieux poreux

Microbilles

Goutte posée

Reconstruction thermique

Transition d'imbibition

Régime visqueux

Régime inertiel

Capillary force

Imbibition kinetics

Porous media

Microbeads

Sessile drop

Thermal annealing

Transition of imbibition

Viscous regime

Inertial regime

Résumé

L’imbibition est d’une importance fondamentale dans de nombreuses applications technologiques et intervient par ailleurs dans de nombreux phénomènes naturels (industrie textile, industrie pharmaceutique, érosion des sols ….). Malgré l’importance de ce phénomène, la description et la modélisation des mécanismes d’imbibition sont encore sujettes à discussion dans la littérature, en particulier, la prédiction des cinétiques d’imbibition à partir de la connaissance de la topographie du milieu poreux. L’objectif de ce travail de thèse a été de relier les cinétiques d’imbibition à la structure du milieu poreux imbibé. Pour cela, nous avons étudié l’imbibition capillaire (ou spontanée) en suivant une démarche expérimentale dans laquelle nous avons utilisé des substrats poreux modèles dont nous contrôlons le volume et la structure de pores. La configuration d’imbibition choisie dans ce travail est celle d’une goutte sessile (ou posée).Ces travaux ont permis de mettre en œuvre une technique de construction de pastilles macroscopiques, autosupportées et cohésives, par assemblage de microbilles de polymère. Ces systèmes modèles ont été utilisés pour étudier les cinétiques d’imbibition capillaire de liquides dans des supports tridimensionnels à structure de pores complexe en fonction de la taille des microbilles constituant la pastille poreuse, de la reconstruction thermique, de la perméabilité pour une structure poreuse bicouches et de la force capillaire. Ces études ont permis entre autres de mettre en évidence des régimes cinétiques et des transitions d’imbibition inattendues dans ces systèmes (régimes visqueux et inertiel).

Imbibition is of fundamental importance in many technological applications, and is also involved in many natural phenomena (textile industry, pharmaceutical industry, soil erosion ....). Despite the importance of this phenomenon, the description and modelling of imbibition mechanisms are still subject to discussion in the literature, in particular, the prediction of the kinetics of imbibition from the knowledge of the morphology of the porous medium.The aim of this thesis was to relate the imbibition kinetics with the structure of a model porous medium. For this, we studied the capillary imbibition (or spontaneous) following an experimental approach in which we used a model porous substrate with both a controlled porous volume and pore structure. The experimental configuration for studying this imbibition was that of a sessile drop. In this work we developed a technique for the fabrication of self-supported and cohesive macroscopic pellets of polymer microbeads. These model porous systems have been characterized for their internal structure and used to study the capillary imbibition kinetics as a function of i) the size of the microbeads, ii) the temperature of the thermal annealing, iii) the permeability in the case of bilayered porous structures and iv) the capillary force (concentration of ethanol in water, nature of the liquid). This approach allowed observing and discussing unexpected imbibition regimes and transitions (inertial and viscous regimes).