Croissance de bulles dans un polymère confiné induit par changement de température

Bubble growth in a confined polymer under temperature changes

• Auteur / Autrice : Carlos Arauz Moreno
• Direction : Élise Lorenceau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique appliquée
• Date : Soutenance le 08/11/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interdisciplinaire de Physique (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Christian Carrot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Raufaste, Rafael Estevez, Éric Dufresne, Constantin Coussios
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Matteo Ciccotti, Christophe Raufaste

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polymères

Bulles

Mots clés libres

Confiné

Bulles

Température

Bubbles

Polymer

Temperature

Résumé

Nous étudions la dissolution ou la croissance de bulles dans des systèmes polymères sous l'effet de variation de température en utilisant le verre feuilleté comme système modèle. Ce dernier est un assemblage multicouche comprenant un film polymère mince et hygroscopique (typiquement, du polyvinyl-butyral ou PVB) pris en « sandwich » entre deux couches de verre flotté. Ce matériau composite garantit qu'en cas de bris, les éclats de verre restent collés à la feuille de polymère intermédiaire. Ainsi, le verre feuilleté améliore la résistance à l'effraction. Par ailleurs, lors d'une collision automobile, il protège également les individus contre des projectiles de verre potentiellement mortels. Il est donc largement utilisé en façade de bâtiments ou dans les pare-brise des voitures. Cependant, il est courant d’observer des bulles dans le verre feuilleté. Ces dernières qui dégradent beaucoup la transparence du matériau, peuvent apparaître au cours des procédés de production, des tests de qualité haute température ou d’une utilisation normale. Elles sont généralement associées à une sursaturation en air.Au cours de cette thèse, nous avons développé un dispositif expérimental transparent pour reproduire - à l'échelle du laboratoire - l'une des principales étapes de production du verre de sécurité, à savoir l'autoclavage à haute température (140°C) et à haute pression. Ce montage permet de suivre la dissolution et la croissance de poches de gaz ou bulles présentes au sein d’échantillons constitués de verre/PVB/verre lorsqu'ils sont soumis à des variations de température ou de pression. Nous avons identifié que les solubilités de l'air et de la vapeur d'eau varient différemment avec la température : lorsque la température augmente, la vapeur d'eau entraîne la croissance des bulles car sa solubilité diminue tandis que l'air favorise la dissolution car sa solubilité augmente. Pour le cas spécifique de l'eau, nous avons creusé plus en détail le lien entre structure chimique du polymère et propriétés de transport de masse.Contrairement à cette image thermodynamique simple, la cinétique de croissance des poches de gaz ou bulles est non monotone et fortement influencée par la rhéologie de la couche polymère. Nous caractérisons donc la rhéologie à haute température du polymère qui révèle que le PVB est un fluide de Maxwell aux temps longs, et non un solide de Maxwell contrairement à l'hypothèse largement répandue dans la littérature. Les constantes de superposition temps-température, ainsi que les temps caractéristiques du polymère qui caractérisent les états vitreux, caoutchoutique et du fondu sont également fournis. Nous avons également étudié la rhéologie et la capacité à former des bulles pour des formulations différentes de la formulation standard du polymère PVB. Enfin, nous proposons un modèle caractérisant la cinétique de croissance de bulles non isothermes pour la formulation de PVB standard. Ce modèle tient compte de la nature des deux gaz, de la finitude du système, ainsi que du comportement viscoélastique complexe de la couche intermédiaire polymère. La comparaison entre modèle et expériences met en exergue les points suivants. Tout d’abord, la croissance des bulles est influencée par la taille et composition initiales de celles-ci, la température maximale et la quantité de gaz dissous dans le polymère. Dans certains cas, nous observons des flux de masse contraires aux préférences de solubilité. Ces déplacements d’équilibres chimiques sont induits par le confinement des deux espèces dans une bulle de volume fini mais susceptible varier à cause de l’élasticité du polymère. Ensuite, dans les assemblages de verre finis, l'un ou l'autre des gaz peut conduire à la formation de bulles à haute température selon la taille initiale des nucleus, la présence de pollutions (fibres ou poussières), ou la sursaturation initiale.

In this work, we investigate the dissolution or growth of bubbles in polymeric systems driven by means of temperature variations. In this regard, laminated safety glass serves as an inspiration. The latter is a multi-layered assembly reminiscent of a sandwich and includes a thin, hygroscopic, polymeric film (typically, polyvinyl butyral-PVB) positioned in between two layers of float glass. The assembly, guarantees that, if broken, glass shards remain bonded to the polymeric interlayer. As a result, it improves resistance to breaking and entering, but also protects individuals from life-threatening projectiles during a car collision and is thus widely used in the façade of buildings or in the windshields of cars. However, it is common to observe bubbles in laminated glass. These bubbles, which are anathema to the beautiful appearance of glass, can occur during production, quality testing at high temperatures or during normal operation and are typically associated with air oversaturation.During the thesis, an experimental transparent setup was developed to reproduce one of the main steps involved in the production of safety glass at the laboratory scale, i.e., autoclaving at high temperatures (140°C) and pressures. The setup allows tracking the dissolution or growth of interfacial gases (gas pockets) or bubbles in glass/PVB/glass samples (or in otherwise transparent samples) when subjected to variations in temperature or pressure. We identify that air and water vapour follow distinct thermodynamic paths in terms of solubility with increasing temperature. As a result, water vapor leads to bubble growth while air favours dissolution. For the specific case of water, we dive deeper into the polymer chemistry and its relationship to mass transport properties.Contrary to the simple thermodynamic picture, the observed kinetic behaviour of gas pockets/bubbles is highly non-monotonous and is strongly influenced by the rheology of the interlayer. For the latter part, a high-temperature mechanical characterization is provided that identifies this polymer as a Maxwell fluid at long timescales, contrary to the widely held assumption of a Maxwell solid. Time-temperature superposition constants, as well polymer characteristic times that delineate the glassy, rubbery, and melt states are further provided. Additional blends of the base PVB polymer were investigated in terms of rheology and bubbling behaviour. A non-isothermal kinetic bubble model is then proposed for standard PVB addressing the nature of the two gases, the finiteness of the system, as well as the complex viscoelastic behaviour of the polymeric interlayer. The comparison between the model and experiments highlights the following points. First, bubble growth is impacted by initial bubble size, maximum temperature, as well as initial bubble composition, and amount of dissolved gas in the polymer. Then, the gases, by virtue of their shared flexible enclosing volume, can potentially affect each other’s chemical equilibrium, thereby forcing mass flows in opposition to their solubility preference. Moreover, in finished glass assemblies, either gas, depending on initial nuclei size, presence of pollutions (fibres or dust), or initial oversaturation, can lead to bubble formation at high temperatures. Finally, we reveal that the framework developed in this thesis for bubble growth in complex materials goes beyond elastomers and is tested for different types of materials with complex rheology.