Séchage d'un film de solution polymère : gradients d'épaisseur induits par des défauts

Drying of a polymer solution film : thickness gradients induced by defects

• Auteur / Autrice : Gabrielle Di mauro
• Direction : Laurence Gorre-Talini
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique et chimie des matériaux
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 16/10/2025
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Surface du verre et Interface
• Jury : Président / Présidente : Suzie Protiere
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurence Talini, François Boulogne, Isabelle Cantat, Thomas Salez, François Lequeux, Martin Coux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : François Boulogne, Isabelle Cantat

Mots clés

Mots clés libres

Séchage

Évaporation

Film liquide

Polymère

Écoulements

Défauts

Drying

Evaporation

Liquid film

Polymer

Flows

Defects

Résumé

Les procédés de revêtement par voie liquide consistent à étaler sur un substrat un fluide complexe composé d'un solvant et d'un soluté, puis à évaporer le solvant afin que seul le soluté subsiste. La partie solide restante assure alors la fonction souhaitée du revêtement. Ces techniques de dépôt sont largement utilisées dans le domaine industriel, car elles permettent de fonctionnaliser rapidement de grandes surfaces. L'étape de séchage est alors critique, en particulier car le film doit conserver une épaisseur homogène. La présence de défauts dans le film ou sur le substrat peut induire des déplacements de matière et ainsi engendrer des variations d'épaisseur dans le dépôt sec. Dans cette thèse, nous étudions expérimentalement et théoriquement les effets du séchage dans un film de solution polymère. Nous nous intéressons en particulier aux déplacements de matière induits par l'introduction d'un solide dans un film d'épaisseur homogène et par la présence d'une inhomogénéité d'épaisseur. Dans une première partie, nous étudions le cas d'un défaut introduit dans un film d'épaisseur homogène, tel une poussière tombant après le dépôt d'un film liquide n'ayant pas encore séché. Le dépôt sec autour du défaut présente deux motifs axisymétriques : un très marqué et proche de la bille, et un second de plus faible amplitude, à une distance millimétrique de celle-ci. Ce dernier résulte de la propagation d'une onde visco-capillaire faisant suite à l'ascension capillaire du liquide sur la bille. Les variations d'épaisseur du film sont décrites par l'équation des films minces, en y introduisant un temps effectif prenant en compte les variations de viscosité et d'épaisseur du film dues au séchage. Nous montrons qu'il est ainsi possible de prédire quantitativement la position finale du minimum. Le motif proche de la bille résulte quant à lui d'un effet de type ''tache de café'' dans le ménisque. Nous montrons que ce second motif peut être modulé par des techniques établies dans la littérature pour des gouttes sessiles. Cette étude permet de mieux comprendre les déplacements de matière induits par la présence d'une poussière tombée sur le film liquide au cours du séchage. Nos résultats fournissent finalement différentes pistes pour limiter l'influence des poussières lors des étapes de séchage des revêtements liquides. Dans une seconde partie, nous considérons le cas d'un défaut du substrat lui-même, tel qu'un creux ou une proéminence. Un film étalé sur un tel substrat présente une inhomogénéité locale d'épaisseur. Dans le premier cas, nous observons un déficit de matière à proximité du creux et un excès à l'intérieur de celui-ci. À l'inverse, en présence d'une bosse, on observe un déficit de matière au sommet de celle-ci, et un excès à ses bords. Ces déplacements de matière résultent de différences locales d'activité du solvant découlant des différences d'épaisseur dans le film. Il se produit un transfert de matière depuis les zones où l'activité (et donc la vitesse d'évaporation) est plus faible vers celles où elle est plus élevée. En linéarisant l'équation des films minces pour le cas d'une marche d'épaisseur unidimensionnelle, nous obtenons des solutions analytiques des profils d'épaisseur en régime capillaire. Dans le cas des creux, les résultats des calculs encadrent les valeurs expérimentales de l'étendue des variations d'épaisseur, ce qui démontre la pertinence du mécanisme proposé. Cette thèse met en lumière les mécanismes de déplacement de matière induits par des défauts lors du séchage de films liquides sur des substrats. Les résultats obtenus permettent de mieux comprendre l'impact des défauts, qu'ils soient introduits dans le film ou présents sur le substrat, sur la morphologie finale du revêtement et de déterminer les paramètres clés pour leur contrôle. Ces travaux ouvrent ainsi des perspectives pour optimiser les procédés de séchage et limiter les défauts dans les revêtements industriels.

Liquid coating processes involve spreading a complex fluid composed of a solvent and a solute onto a substrate, then evaporating the solvent so that only the solute remains. The remaining solid part then performs the desired function of the coating. These deposition techniques are widely used in industry because they allow large surfaces to be functionalized quickly. The drying step is therefore critical, particularly because the film must retain a uniform thickness. The presence of defects in the film or on the substrate can cause material displacement and thus lead to variations in the thickness of the dry deposit. In this thesis, we study experimentally and theoretically the effects of drying in a polymer solution film. We are particularly interested in the displacement of material induced by the introduction of a solid into a film of uniform thickness and by the presence of thickness inhomogeneity. In the first part, we study the case of a defect introduced into a film of uniform thickness, such as dust falling after the deposition of a liquid film that has not yet dried. The dry deposit around the defect exhibits two axisymmetric patterns: one very pronounced and close to the bead, and a second one of lesser amplitude, at a distance of a few millimeters from it. The latter results from the propagation of a visco-capillary wave following the capillary rise of the liquid on the bead. The variations in film thickness are described by the thin film equation, introducing an effective time that takes into account the variations in viscosity and film thickness due to drying. We show that it is thus possible to quantitatively predict the final position of the minimum. The pattern near the bead results from a “coffee stain” effect in the meniscus. We show that this second pattern can be modulated by techniques established in the literature for sessile drops. This study provides a better understanding of the material displacements induced by the presence of dust that has fallen on the liquid film during drying. Finally, our results provide different avenues for limiting the influence of dust during the drying stages of liquid coatings. In the second part, we consider the case of a defect in the substrate itself, such as a hollow or a prominence. A film spread over such a substrate exhibits local inhomogeneity in thickness. In the first case, we observe a deficit of material near the depression and an excess inside it. Conversely, in the presence of a bump, we observe a deficit of material at its peak and an excess at its edges. These material displacements result from local differences in solvent activity due to differences in film thickness. There is a transfer of material from areas where activity (and therefore evaporation rate) is lower to areas where it is higher. By linearizing the thin film equation for the case of a one-dimensional thickness gradient, we obtain analytical solutions for the thickness profiles in capillary conditions. In the case of depressions, the calculation results are consistent with the experimental values for the extent of thickness variations, demonstrating the relevance of the proposed mechanism. This thesis highlights the mechanisms of material displacement induced by defects during the drying of liquid films on substrates. The results obtained provide a better understanding of the impact of defects, whether introduced into the film or present on the substrate, on the final morphology of the coating and determine the key parameters for their control. This work thus opens up prospects for optimizing drying processes and limiting defects in industrial coatings.