Maîtrise de la dynamique de la ligne triple pendant le séchage, vers des matériaux structurés à effet lotus

Elaboration of multi structural surfaces materials by control of drying mecanism

• Auteur / Autrice : Benjamin Vuillemey
• Direction : Yahya Rharbi, Komla Guéwoul-Guèdè Ako
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : MEP, Mécanique des fluides Energétique, Procédés
• Date : Soutenance le 12/12/2016
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire rhéologie et procédés (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Hugues Bodiguel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabien Chauvet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mokhtar Adda-Bedia, Patrice Bacchin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Composites polymères

Mots clés libres

Évaporation

Ligne triple

Latex de polymères

Séchage

Dépôts structurés

Evaporation

Triple line

Polymer latex

Drying

Texturized coatings

Résumé

Le séchage d’une solution chargée en particules est la solution la plus simple pour couvrir uniformément la surface d’un matériau. Le choix de la solution et ses propriétés physico-chimiques dictent alors le comportement du film obtenu. Le matériau peut ainsi être rendu hydrophobe en appliquant un tapis de molécules qui n’ont aucune affinité avec l’eau. Un moyen d’améliorer encore cette hydrophobie est de modeler la surface pour incorporer une certaine rugosité dans le revêtement. Cette stratégie est adoptée par plusieurs végétaux, dont le plus célèbre est le lotus.L’évaporation de suspensions apparait comme la méthode la plus simple pour parvenir à la structuration de la surface des matériaux. L’exemple le plus éloquent est celui de la goutte de café, où les particules viennent préférentiellement s’agglomérer sur son périmètre, portées par les différents flux résultant du mécanisme de séchage. Cependant, ce procédé d’auto-assemblage des particules sur la ligne triple air-liquide-substrat au cours du séchage, est difficile à appréhender. Ce constat est lié à la synergie entre la rhéologie des suspensions, leur physico-chimie et les aspects de tension inter faciale, qui s’opère au cours du procédé d’évaporation.Le travail proposé ici vise à comprendre et à maitriser le déplacement de la ligne triple pour accroitre le potentiel de cette méthode d’élaboration de revêtements. Nous proposons une méthode qui permet d’agir sur cette ligne triple. A la sortie de notre dispositif, le liquide est soumis à une évaporation libre, si bien que la ligne de contact adopte un mouvement périodique, apparenté à une respiration. Ce phénomène, peut être contrôlé en amplitude et en fréquence. Par la combinaison de paramètres mécaniques propres au procédé et d’autres intrinsèque au fluide, l’expérimentateur est capable de gouverner ce mouvement, ainsi que le profil du ménisque formé.La connaissance des moyens d’actions sur la respiration de la ligne triple est ensuite utilisée pour produire des surfaces périodiques. Ces dernières sont issues du séchage de latex de polymère. Le comportement cyclique de la ligne triple, combiné avec un déplacement contrôlé du substrat, permet de créer des zones préférentielles de dépôt. Les surfaces obtenues présentent un réseau de lignes successives, dont la longueur d’onde se rapporte aux paramètres du procédé.

Solvent evaporation appears as an easy way to deposit a periodic film on any surface. Its resulting structure is directly linked to the particles contained on the suspension and its behaviour with its solid and liquid environment during drying step. The coffee ring effect is the most eloquent example, which is characterized by a preferential agglomeration of the particle in the drop periphery. Such process is difficult to assess: handling the air-liquid-substrate interface movement is a basic need to increase the technical power of that coating method.To investigate the contact line motion during drying, we focus on the meniscus, which comes from a liquid flow between a sealed container and a substrate. Observations of liquid flowing out such disposal show a cyclic movement. Such phenomenon can be compared to a breathing of the contact line. The present work is firstly dedicated to the characterization of that periodic movement. These learnings are then applied to polymer latexes to produce periodic films.Our characterization method is based on meniscus observation and force balance recording. The observed breathing can be tuned in frequency and amplitude, by acting both on physical properties of the solvents, and geometrical settings of the device. Surface tension play a key role in the movement, by acting on the meniscus shape. Geometrical settings appears to affect the evaporation process. On a global scale, the rate is constant but the disposal gap is directly linked to the cycle frequency.Eventually, our disposal is used to coat smooth surface with polymer latexes. The self-organization of particles during the drying process is tried to be controlled by the periodic motion of the contact line. The roughness of the obtained textured coating is expected to be tuned by a combined choice of disposal settings and specific solutions properties.