Transferts (imbibition, séchage) dans des matériaux bi-poreux multifonctionnels

Transfer (soaking, drying) in multifunctional doubly porous materials

• Auteur / Autrice : Thibault Lerouge
• Direction : Philippe Coussot, Olivier Pitois, Daniel Grande
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des Matériaux
• Date : Soutenance le 16/12/2019
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Navier (Paris-Est) - Laboratoire Navier / NAVIER UMR 8205
• Jury : Président / Présidente : Michel Dumon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Coussot, Daniel Grande, Paul Duru, Matthieu Vandamme, Élise Lorenceau
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Paul Duru

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polymères

Matériaux poreux

Matériaux architecturés

Mots clés libres

Biporeux

Transfert

Imbibition

Séchage

Polymère

Double porosité

Biporous

Transfer

Soaking

Drying

Polymer

Double porosity

Résumé

La plupart des matériaux de construction à structure multi-échelle, comme le bois, le béton de chanvre ou le torchis, présentent des propriétés de contrôle de l’humidité remarquables. Pour mieux en comprendre l’origine, nous étudions les propriétés de transfert de systèmes biporeux modèles basés sur des matériaux polymères conçus par l’approche à double agent porogène avec, dans la matrice de petits pores (SP), différentes morphologies de pores larges (LP) : cubiques ou sphériques, dispersés, ou connectés par des constrictions abruptes ou plus lisses, et avec un contrôle de la mouillabilité. Deux catégories de structures biporeuses sont identifiées, présentant des propriétés très différentes. Tout d’abord, lorsque les pores larges sont dispersés au sein de la matrice SP, le liquide envahit la matrice microporeuse et contourne les inclusions, emprisonnant des poches d’air. Quel que soit la fraction volumique des LP, l’imbibition est très bien décrite avec différents fluides par la théorie usuelle de Washburn dans la matrice SP. D’autre part, quand les pores larges constituent un réseau continu, la dynamique d’imbibition est déterminée par la compétition et les interactions entre les deux réseaux poreux (matrice microporeuse et réseau connecté de macropores). Si l’ascension capillaire au sein du réseau macroporeux est rapide (connexions douces entre LP), elle gouverne la dynamique d’imbibition dans le matériau biporeux, et le liquide peut ensuite être drainé vers la matrice microporeuse proche. En revanche, si l’imbibition est lente dans le réseau macroporeux (constrictions abruptes entre LP), alors la matrice de micropores contrôle la dynamique d’imbibition, pouvant même l’accélérer par un effet de synergie entre les réseaux poreux, visible avec l’apparition de deux fronts capillaires.Le séchage des matériaux biporeux saturés est étudié par relaxation RMN 1H et suivi visuel de contraction. Nous montrons alors que les mécanismes de séchage dépendent de la connectivité du réseau de pores larges au sein de la matrice microporeuse. Les pores larges dispersés se désaturent en premier et de façon homogène, du fait d’une compression du système résultat de la pression capillaire, tandis qu’un réseau de pores larges connectés est drainé en premier aussi, mais pore par pore sans contraction du système. La vitesse de séchage reste constante pendant la majeure partie de la désaturation dans les deux cas

Some multi-scale building materials, like wood, hemp concrete or daub, exhibit high potential properties in terms of hygrometric diffusion (moisture expelling out of a house). In order to get a better insight into those properties, we investigate fluid transportation (soaking/drying) in doubly porous model systems based on polymeric materials envisioned by the double porogen templating approach. They are elaborated with controlled hydrophilicity and various large pore (LP) morphologies within the small pores matrix (SP): cubic or spherical, dispersed or connected by sharp-edged or smoother constrictions. We identify two categories of biporous structures leading to very diverging properties. Firstly, when dispersed large pores are included within the SP matrix, the liquid penetrates in the microporous matrix and the large pores absorb little to no water, and confining air inside them. Regardless the volume ratio of dispersed LP, the rising front is well described with different fluids by the classical Washburn theory inside the matrix only. On the other hand, when the large pores constitute a connected network, a competition between the imbibition within both porous networks (microporous matrix and macroporous network interacting with each other) determine the imbibition mechanism. If the rising of capillary front is fast in the macroporous network (smooth connexions between LP), it dominates the imbibition process, and the liquid can be drained by the smaller pore size close to it. In contrast, if the imbibition is slow in the macroporous network (sharp-edged constrictions between LP), then the microporous matrix controls the dynamic of soaking, and can speed it up with synergetic action highlighted by two distinctive rising fronts. The drying of those saturated biporous materials is investigated with 1H NMR relaxation and contraction monitoring. We demonstrate that drying mechanisms depends on the connectivity of large pores inside the microporous matrix too. Dispersed LP are homogeneously emptying first, resulting from a compression induced by the capillary pressure, whereas a connected LP network is emptying first too, but heterogeneously pore after pore. The drying rate is still constant in both cases during the majority of the desaturation