Synthèse et propriétés de transport de membranes de perméation de vapeur par dépôt plasma de type RPECVD

par Bahador Bahadori

Thèse de doctorat en Génie des procédés

Sous la direction de Pierre Schaetzel.

Soutenue en 2005

à Caen .


  • Résumé

    Une membrane pour perméation de vapeur a été synthétisée par polymérisation assistée par plasma de type RPECVD (remote plasma enhanced chemical vapor deposition) sur un support microporeux. La génération du gaz plasmagène est obtenue par un générateur micro-onde. Le monomère est le tétraméthyl disiloxane. Le gaz plasmagène est un mélange oxygène azote avec une un rapport oxygène/azote de 0. 02. La pression totale dans la chambre de dépôt est de 150 Pa et la durée du dépôt est de 30 minutes. Le support est une membrane microporeuse en polypropylène avec des pores oblongs dont la dimension est 0. 117x0. 042 µm (Celgard 2400). Nous avons optimisé les conditions de dépôt afin d’obtenir des membranes denses avec de très bonnes propriétés mécaniques ; les membranes obtenues ont une épaisseur de la couche dense de 2. 5 µm. La composition chimique de la couche dense est proche du PDMS classique sans groupes résiduels Si-H : on remarque néanmoins que les liaisons inorganiques de type Si-O sont enrichis aux dépens des liaisons Si-C. Le dépôt doit être suffisamment épais pour couvrir l’ensemble des pores distribués de façon statistique. Les isothermes de sorption et les courbes de perméation de vapeur sont mesurés avec quatre solvants différents (eau, éthanol, chloroforme, et heptane) à quatre températures différentes (30, 40, 50 et 60 °C). De façon surprenante, les flux de perméation sont plus élevés que ceux obtenus par des membranes en silicone classiques normalisées à la même épaisseur de couche active. Pour chaque solvant utilisé, les isothermes expérimentales peuvent être corrélées par l’équation de sorption de Freundlich. Chaque courbe de perméation est confrontée aux équations de diffusion de Barrer, Greenlaw, Long, Fick et Nernst-Planck généralisée. Chaque courbe expérimentale de perméation est bien corrélée par l’équation de diffusion de Long. Le coefficient de diffusion limite suit la loi d’Arrhenius : ce fait montre que c’est la diffusion qui est le mécanisme prédominant lors du transfert de matière à travers la membrane.


  • Résumé

    A silicone rubber- based vapor permeation membrane was synthesized by a deposition of tetramethyl disiloxane in a remote plasma reactor onto a microporous support. The primary plasma was produced in a first chamber using a classical microwave generator from oxygen added nitrogen. The total plasma gas pressure in the deposition chamber was 150 Pa, and the deposition time was 30 minutes. The flat microporous substrate is a bi-axially stretched polypropylene membrane (Celgard 2400) with 0. 117x0. 042 µm oblong pores. Low oxygen to nitrogen mass flow rate ratio (about 0. 02) gave the best membrane. Under the optimal deposition conditions, a dense 2. 5 µm thick layer of polymer is deposited. Its chemical structure as revealed by infrared studies is very similar to that of a classical PDMS elastomer without residual Si-H groups, except that the inorganic Si-O links are enriched at the expense of the Si-C links. The deposited layer needs to be thick enough to cover all pores whose sizes are statistically distributed. The sorption isotherms and vapor permeation curves at variable solvent activity were measured with four different solvents (water, ethanol, chloroform and heptane) at four different temperatures (30, 40, 50 and 60 °C). Surprisingly; the permeation fluxes of the composite membranes were quite high in comparison with that of a conventional silicone layer of the same thickness (obtained by data interpolation). For all solvents investigated, the experimental equilibrium isotherms could be correlated to Freunlich’s sorption equation. All experimental permeation curves were confronted to the Barrer, Greenlaw, Long, Fick and generalized Nernst-Planck equations. All experimental permeation curves are well correlated with Long’s diffusion equation. The limiting diffusivity follows an Arrhenius like equation: this shows that diffusion is the predominant mass transfer mechanism.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (186 f.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : 111 réf. bibliogr.

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  • Bibliothèque : Université de Caen Normandie. Bibliothèque Rosalind Franklin (Sciences-STAPS).
  • Non disponible pour le PEB
  • Cote : TCAS-2005-29
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