Simulation de la formation de films polymères par séchage de colloïdes aqueux

Simulation of polymer film formation by drying of aqueous colloids

• Auteur / Autrice : Mohammad Nassar
• Direction : Yves Holl
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie physique
• Date : Soutenance le 08/06/2017
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie-physique (Strasbourg ; 1994-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de chimie (Strasbourg ; 2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Maurice Brogly
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrick Lacroix-Desmazes, Fabrice Thalmann
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ludovic Pauchard, Yves Chevalier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Chaleur -- Convection

Transfert de masse

Couches minces

Séchage

Colloïdes

Mots clés libres

Dispersion colloïdale

Convection

Diffusion

Simulation

Automate cellulaire

Colloidal dispersion

Convection

Diffusion

Simulation

Cellular automaton

Résumé

Le séchage des dispersions colloïdales a été et demeure très étudié en raison de son extrême complexité et de son utilisation dans de nombreuses applications. Dans cette thèse, nous avons développé une simulation, d'abord unidirectionnelle, basée sur le principe des automates cellulaires, qui traite la problématique du séchage horizontal et vertical. Ce travail permet de prédire, par calcul numérique, la distribution des particules et la position des fronts de séchage dans les dépôts de dispersions sous forme de films minces. Nos résultats ont montré que la pression existant dans le fluide est la somme des pressions de Laplace et hydrostatique. Par rapport aux modèles existants, cela modifie la convection des particules dans la partie fluide de la dispersion. La diffusion collective des particules chargées a été étudiée également. Contrairement aux prédictions théoriques antérieures, nous avons pu montrer que la diffusion collective des particules chargées pouvait jouer un rôle majeur, y compris dans le cadre de l’approximation de lubrification. Finalement, la simulation 1D a été étendue en 2D, ce qui a permis de comprendre la raison pour laquelle deux fronts dans deux directions perpendiculaire (cas d’une géométrie rectangulaire) avancent à des vitesses différentes. Une comparaison entre les données expérimentales et le calcul numérique sur le profil du film et la vitesse des fronts de séchage pour une dispersion de silice montre un bon accord.

Drying of colloidal dispersions, given their uses in several fields in everyday life, has been the subject of many studies for a long time. In this thesis, we first developed an unidirectional simulation, based on the principle of the cellular automaton, which deals with the problem of horizontal and vertical drying. This work makes it possible to predict, by numerical calculation, the distribution of the particles and the position of drying fronts in deposits in form of thin films.The profile of the film in the liquid part was studied. Our results have shown that the pressure in the fluid is the sum of the Laplace and hydrostatic pressures. This result affects the dynamics of particles in the fluid part of the dispersion, in particular convection. The collective diffusion of charged particles has also been studied. Contrary to what was predicted in previous theoretical models, we were able to show that the collective diffusion of the charged particles could be important even within the lubrication approximation. Finally, the 1D simulation was extended to 2D in order to understand the reason why two fronts in perpendicular directions (case of a rectangular geometry) advance at different speeds. A comparison between the experimental data for the drying of a silica dispersion and the numerical calculation shows good agreement.