Évaporation de gouttes sur des fibres

Evaporation of drops on fibers

• Auteur / Autrice : Marie Corpart
• Direction : François Boulogne, Frédéric Restagno, Jessica Delavoipière
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 08/12/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des solides (Orsay, Essonne) - Saint-Gobain Recherche
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Laurence Gorre-Talini
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Élise Lorenceau, David Dominique Brutin, Noushine Shahidzadeh
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Élise Lorenceau, David Dominique Brutin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diffusion (physique)

Fibres

Gouttes

Séchage

Évaporation

Mots clés libres

Évaporation

Séchage

Gouttes

Fibres

Diffusion

Convection forcée

Evaporation

Drying

Drops

Fibers

Diffusion

Forced convection

Résumé

Le but de cette thèse est de mieux comprendre le séchage de gouttes placées sur un milieu fibreux. Premièrement, nous étudions l'évaporation, en régime diffusif, d'une goutte axisymétrique sur une fibre en combinant expériences, modélisations analytique et numérique. Nous montrons que, du fait de la courbure du substrat, le flux local d'évaporation d'une goutte axisymétrique sur une fibre est indépendant de l'angle de contact. De plus, la vitesse d'évaporation d'une goutte mouillante sur une fibre est correctement modélisée par un modèle de goutte sphérique. Ces résultats sont intégrés dans un modèle analytique, prenant en compte le refroidissement du liquide induit par l'évaporation qui permet de prédire les temps de vie des gouttes. Dans un second temps, nous étudions des gouttes contenant des particules en suspension, s'évaporant en régime diffusif, et nous nous intéressons à l'effet de la courbure du substrat sur la morphologie du dépôt final. Nous développons un modèle analytique, valable au début du séchage lorsque les lignes triples sont ancrées, permettant de calculer le nombre de particules accumulées au niveau des lignes triples au cours du temps. Ce calcul met en évidence que l'accumulation des particules au niveau des lignes triples au cours du régime ancré est beaucoup plus faible que dans le cas d'une goutte sessile ce qui conduit à un dépôt beaucoup plus homogène que la « tâche de café » classiquement observé. Pour finir nous effectuons des expériences de séchage en convection forcée. Ces expériences montrent que le temps de vie d'une goutte sur une fibre est inversement proportionnel à la racine carrée de la vitesse de l'air. De plus, la durée de vie d'une goutte, placée à la jonction de deux fibres croisées en contact, est proportionnelle à l'étalement du liquide i.e. est inversement proportionnel à l'angle formé au niveau de la jonction.

The aim of this thesis is to better understand the drying of drops placed on a fibrous medium. First, we study diffusion-limited evaporation, of an axisymmetric drop on a fiber by combining experiments, analytical and numerical modelling. We show that, due to the curvature of the substrate, the evaporative flux of an axisymmetric drop placed on a fiber is independent of the contact angle. Furthermore, a spherical drop model correctly describes the evaporation rate of a wetting drop on a fiber. These results are integrated into an analytical model, taking into account the evaporative cooling of the liquid, which allows us to predict the droplets lifetimes. In a second step, we study drops containing suspended particles, evaporating in a diffusive regime, and we examine the effect of the substrate curvature on the morphology of the final deposit. We develop an analytical model, valid at the beginning of the drying process when the contact lines are pinned, allowing to calculate the number of particles accumulating at the contact lines over time. This calculation highlights that the number of accumulated particles at the contact lines during the pinned regime is much smaller than in the case of a sessile drop, which leads to a more homogeneous deposit than the ``coffee ring" classically observed. Finally, we perform forced-convective drying experiments. These experiments show that the lifetime of a drop on a fiber is inversely proportional to the square root of the air velocity. Additionally, the lifetime of a drop, placed at the junction of two touching crossed fibers, is proportional to the liquid spreading i.e. is inversely proportional to the angle between the two fibers at the junction.