Hydrodynamique des films liquides hétérogènes

Hydrodynamics of heterogeneous liquid films

• Auteur / Autrice : Quentin Magdelaine-Guillot de Suduiraut
• Direction : Arnaud Antkowiak, Alban Sauret
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Hydrodynamique
• Date : Soutenance le 20/12/2019
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Surface du Verre et Interfaces (Aubervilliers, Seine-Saint-Denis) - Institut Jean Le Rond d'Alembert (Paris ; 2006-....)
• Jury : Président / Présidente : Isabelle Cantat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Popinet, Etienne Reyssat
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédéric Restagno, Élise Lorenceau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Surfaces (physique)

Évaporation

Lubrification hydrodynamique

Films liquides (physique)

Mots clés libres

Film liquide

Contrainte Marangoni

Évaporation

Théorie de la lubrification

Instabilité

Bulle

Liquid film

Marangoni stress

Evaporation

Theory

Instability

Bubble

Résumé

Revêtir une surface d’un film mince permet de lui conférer de nouvelles propriétés, comme en réduire les reflets ou améliorer sa résistance aux rayures. Une méthode pour produire ces revêtements est le dépôt par voie liquide : elle consiste à couvrir la surface avec un matériau dispersé dans un liquide puis à le sécher. Cette méthode permet de fonctionnaliser efficacement et rapidement de grandes surfaces. Bien qu'attrayante pour l’industrie verrière, la perspective d'une fonctionnalisation par voie liquide se heurte actuellement à l'apparition de défauts dans le film lors de son séchage, notamment des variations d'épaisseurs sur de grandes distances. Ces imperfections détériorent l'esthétique et les propriétés optiques de la surface. Dans cette thèse, nous apportons un éclairage sur l’apparition de ces défauts, en étudiant les écoulements générés lors du séchage de films liquides de mélanges binaires. En effet, l'évaporation du solvant peut induire des variations de composition qui génèrent en retour des gradients de tension à la surface du film qui le déstabilisent. La combinaison d'expériences modèles, de modélisations théoriques et de simulations numériques ont permis de mettre en évidence et de décrire quantitativement plusieurs régimes, qui correspondent aux différents effets limitant l’instabilité : la pesanteur, la pression de Laplace, l’homogénéisation latérale par diffusion des composées dans le film ou au contraire la stratification verticale de ces composés, causée par l’évaporation. Une étude indépendante a été menée sur la génération de trains de bulles lorsque de l’air est lentement injecté dans un bain.

Coating processes allow functionalizing a surface to obtain new properties, as anti-glare or anti-scratch. Amongst the various methods, wet coating, the process of spreading then drying a liquid layer containing a material of interest, is particularly appealing because of its efficiency and low cost. One key hurdle, however, is the possible apparition of defects in the film during the drying process, notably, thickness variations over large areas. These imperfections degrade the aspect and the optical properties of the surface. In this Ph.D. thesis, we shed light on the apparition of these defects, by studying the flows triggered by the evaporation in liquid films of binary mixtures. Indeed, the evaporation of the solvent can induce variations of composition which generate in return gradients of tension at the film surface which destabilize it. The combination of model experiments, theoretical modeling and numerical simulations allowed us to reveal and describe quantitatively several regimes, which correspond to the factor limiting the instability: gravity, Laplace pressure, lateral homogenization by diffusion of the compounds or by their vertical stratification due to the evaporation. An independent study has been lead on the generation of bubble trains when air is slowly injected in a bath.