Séchage microfluidique de fluides complexes : champs de concentration, diffusion collective et mesure in situ de contraintes

Drying of complex fluids in microfluidic geometries : concentration gradients, collective diffusion and in situ stress measurements

• Auteur / Autrice : Anne Bouchaudy
• Direction : Jean-Baptiste Salmon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physico-chimie de la matière condensée
• Date : Soutenance le 26/10/2018
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire du Futur (Bordeaux)
• Jury : Président / Présidente : Cécile Zakri
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Baptiste Salmon, Cécile Zakri, Philippe Coussot, Ludovic Pauchard, Anke Lindner, Martine Meireles
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Philippe Coussot, Ludovic Pauchard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Poroélasticité

Contraintes (mécanique)

Dispersion colloïdale

Pervaporation

Microfluidique

Séchage

Fluides complexes

Mots clés libres

Fluides complexes

Séchage confiné

Champs de concentration

Diffusion

Contraintes mécaniques

Poroélasticité

Complex fluids

Confined drying

Concentration gradients

Diffusion

Mechanical stress

Poroelasticity

Résumé

Etudier le séchage est un moyen original de caractériser les propriétés de fluides complexes. Cette technique permet de concentrer continûment des fluides : d'un état dilué à un état sec. A l'échelle microfluidique, la manipulation, les observations et les processus qui entrent en jeu sont simplifiés. Ce travail de thèse s'attache à décrire le séchage de ces fluides et plus particulièrement le cas de dispersions colloïdales. Ces travaux présentent deux méthodes pour étudier l'extraction du solvant d'un fluide à l'échelle microfluidique : la micropervaporation et la goutte confinée. Ces techniques ont notamment permis de réaliser des estimations précises de coefficients de diffusion collective sur toute la gamme de concentrations pour un mélange eau/glycérol et pour une dispersion colloïdale de nanoparticules de silice chargées. Par ailleurs, le séchage induit des contraintes mécaniques conséquentes. Ces contraintes peuvent générer des déformations importantes, des phénomènes de délamination ou de fracturation du matériau solidifié. Une méthode originale de mesure in situ de contraintes a été mise en place pendant ces travaux. Les mesures réalisées avec une dispersion colloïdale modèle permettent de mettre en évidence expérimentalement l'apparition de contraintes mécaniques au moment de la transition sol/gel de la dispersion. L'augmentation de la contrainte est ensuite associée au séchage d'un gel poroélastique.

Drying complex fluids is an original technique to study their properties. Solvent extraction enables the continuous concentration of fluids from a dilute to a solid state. The use of the microfluidic scale allows one to limit side effects and simplify experiments, observations and modeling. This project mainly describes the drying of colloidal dispersions in two confined geometries: microfluidic channels and confined droplets between two plates. With these two techniques, we estimate collective diffusion for a water/glycerol mixture and a model dispersion of charged silica nanoparticles over the whole concentration range. Moreover, the drying of complex fluids often induces mechanical stresses which are the root for deformation, delamination phenomena and cracks. We developed an original technique to measure these stresses in situ. For a model colloidal dispersion, we evidenced experimentally that these forces arise from a liquid to solid state transition. The increase of these stresses is then associated with the drying of a poroelastic gel.