Hygroscopicité et transferts de fluides

Fluid transport and hygroscopicity

• Auteur / Autrice : Elisa Julien
• Direction : Philippe Coussot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance le 09/02/2023
• Etablissement(s) : Marne-la-vallée, ENPC
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Navier (Paris-Est)
• Jury : Président / Présidente : Olivier Pitois
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Coussot, Élise Lorenceau, François Boulogne, Stefano Aime, Sidi-Boulenouar Rahima
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Élise Lorenceau, François Boulogne

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bois

Bois -- Essais

Mots clés libres

Hygroscopicité

Bois

Imbibition

Mouillabilité

Séchage

Fracture

Hygroscopicity

Wood

Imbibition

Wettability

Drying

Crack

Résumé

Le bois est un matériau de choix pour la construction en raison de sa polyvalence et de ses propriétés mécaniques. C'est également un bon isolant thermique et un régulateur d'humidité. Cependant, sa capacité à absorber l'eau de son environnement, notamment sous forme d'eau liée à l'intérieur des parois cellulaires grâce à des liaisons hydrogène, peut également être un facteur limitant pour son utilisation. Nous étudions ici, avec du bois ou des matériaux modèles, une série de questions physiques liées à la présence ou au transport de cette eau liée dans le système : son impact sur la mouillabilité, la diffusion de l'eau liée, la propagation des fissures dans un tel système humide. Nous montrons d'abord que l'angle de contact apparent d'une goutte de liquide déposée sur une surface de bois diminue progressivement au cours du temps, d'une grande à une faible valeur, avant absorption. En reproduisant le phénomène à l'aide d'un matériau modèle (hydrogel), nous démontrons que cet effet résulte de la déformation de la surface solide à une distance plus grande lorsque l'eau diffuse plus loin de la goutte, à travers le gel. Avec les techniques habituelles d'étude de l'eau liée, un couplage avec le transport de vapeur et d'eau libre peut exister, ce qui empêche une appréciation pertinente des propriétés de diffusion de l'eau liée seule. Ici, nous empêchons le transport de vapeur et d'eau libre en remplissant le bois d'huile et nous suivons le transport de l'eau liée à l'aide de la résonance magnétique nucléaire, le coefficient de diffusion a ainsi été obtenu dans les trois directions du bois. Le coefficient de diffusion dans les trois directions du bois peut ainsi être déterminé sans équivoque. Nous montrons également que les fibres peuvent être remplies ultérieurement par le transport d'eau liée. Grâce à l'observation microscopique de fissures dans des gels colloïdaux mous pendant le séchage, nous établissons un lien entre la forme particulière de la pointe de la fissure et les caractéristiques rhéologiques du matériau. En plus du gel qui se fissure et de la fissure remplie d'air qui l'envahit, nous observons une troisième région remplie d'eau pure, en avant de la pointe de la fissure. Nous montrons que dans ces gels, l'énergie de rupture est déterminée par l'interface eau-air, tandis que les propriétés mécaniques du gel déterminent la morphologie de la phase remplie d’eau.

Wood is a popular choice for construction due to its versatility and its mechanical properties. It is also a good thermal insulator and humidity regulator. However, its ability to absorb water from its environment, in particular in the form of bound water inside the cell walls thanks to hydrogen bonds, can also be a limiting factor for its use. Here we study, either with wood or model materials, a series of physical questions related to the presence or transport of this bound water in the system: its impact on the wettability, the diffusion of bound water, the propagation of cracks in such a wet system.We first show that the apparent angle of contact of a liquid drop deposited on a wood surface progressively decreases over time, from a large to low value, before absorption. Reproducing the phenomenon with a model material (hydrogel) we demonstrate that this effect results from the deformation of the solid surface at larger distance as the water diffuses farther from the drop, through the gel.With usual techniques for studying bound water a coupling with vapor and free water transport can exist, which precludes a relevant appreciation of the diffusion properties of bound water alone. Here, we prevent vapor and free water transport by filling wood with oil and we follow the bound water transport with the help of Nuclear Magnetic Resonance, diffusion coefficient was thus obtained in all three directions of the wood. The diffusion coefficient in the three directions of the wood can be thus determined unequivocally. We also show that fibers can be subsequently filled from bound water transport.Through microscopic observation of cracks in soft colloidal gels during drying, we relate the particular shape of the crack tip to the rheological characteristics of the material. In addition to the cracking gel and the invading air-filled crack, we observe a third, wedge-shaped region filled with pure water, ahead of the crack tip. We show that in these gels, the fracture energy is determined by the water-air interface, while the mechanical properties of the gel determine the morphology of the water phase.