Water Transfers in Sub-Micron Porous Media during Drying and Imbibition Transferts d'eau en milieux nano-poreux durant le séchage et l'imbibition

by Jules Thiery

Doctoral thesis in Sciences des Matériaux

Sous la direction de Philippe Coussot et de David A. Weitz.

defended on 25-11-2016

à Paris Est and the jointly supervising institution Harvard university , under the authority of École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....) , en partenariat avec Laboratoire Navier (Paris-Est) (laboratoire) et de Laboratoire Navier / NAVIER UMR 8205 (laboratoire) .

Thesis committee President: Dani Or.

Le jury était composé de Philippe Coussot, David A. Weitz, Stéphane Rodts.

Examiners: Léo Pel, Elisabeth Charlaix.

  • Titre traduit

    Transferts d'eau en milieux nano-poreux durant le séchage et l'imbibition


  • Abstract

    Le séchage et l’imbibition sont des phénomènes physiques indispensables, de nos jours, à la formulation de nombreux matériaux en milieu industriel. Ces phénomènes, comme on peut l’observer avec l’apparition de fissures lors du séchage d’une peinture fraichement appliquée, peuvent affecter de manière irréversible l’aspect, l’intégrité ou la durabilité du matériau concerné. De plus, dans l’industrie, la connaissance des mécanismes physiques mis en jeu lors de ces étapes de séchage ou d’imbibition reste fréquemment empirique, conduisant à de fortes consommations d’énergie. La compréhension fondamentale de ces phénomènes représente donc un enjeu industriel majeur.En utilisant des techniques de mesure telles que l’Imagerie à Résonnance Magnétique (IRM) ou la microscopie électronique, nous nous sommes intéressés à la physique des écoulements fluides dans des milieux poreux modèles, déformables ou non-déformables, dont la taille caractéristique des pores varie de l’échelle du millimètre à celle de quelques nanomètres.Le résultat essentiel de ces travaux de thèse est la démonstration que l’évolution de la distribution de liquide dans ces milieux modèles, lors du séchage, provient de la compétition entre deux phénomènes physiques, quelle que soit la taille des pores, et que le matériau fissure ou subisse du retrait. Ces phénomènes physiques sont : le ré-équilibrage capillaire, ayant lieu lors de la substitution de l’eau par l’air dans le milieu poreux, provoquant un écoulement fluide selon la direction du gradient des pressions de Laplace imposé au liquide par l’évaporation, et le développement d’une région sèche apparente depuis la surface libre de l’échantillon.Plus précisément, nous montrons que le phénomène de ré-équilibrage capillaire est permanent lors du séchage et permet de maintenir une saturation homogène dans les régions humides de l’échantillon quel que soit le régime de séchage rencontré ou la taille des pores de cet échantillon. Pour des pores de dimension supérieure à quelques nanomètres, nous montrons que le séchage s’opère en deux étapes : une première période à fort taux de séchage dont la durée décroit avec la réduction de la taille des pores, cette étape est suivie d’une seconde période présentant le développement d’une région sèche depuis la surface de l’échantillon provoquant une chute du taux de séchage. Nous démontrons aussi que les phénomènes de fracturation et de retrait peuvent influer de façon significative sur la durée de cette première période.Quand la taille des pores devient inferieure à quelques nanomètres, nous montrons que l’infime rayon de courbure de l’interface eau-air développant dans les pores du milieu poreux tend à limiter le taux d’évaporation de l’échantillon et entraine sa décroissance progressive au cours du séchage. De manière surprenante, dans ce cas particulier, la distribution d’eau à travers l’échantillon reste homogène tout au long du séchage. Cette dernière observation nous renseigne sur le fonctionnement du mécanisme de ré-équilibrage capillaire dans les nano-pores et montre que les propriétés d’écoulement liquides en milieux confinés diffèrent grandement de celles rencontrées dans des milieux plus grossiers


  • Résumé

    Drying and imbibition are widely used in industry to formulate and process materials. Familiar to anyone who ever filled a sponge with water and left it to dry, or spread a coat of paint, fluid to solid transitions may affect the aspect, the integrity and the durability of the material processing. Moreover, in industry this transitional steps frequently relies on empirical techniques for the control of both of these phenomena, resulting in an overconsumption of energy. The understanding of the mechanisms behind drying and imbibition are therefore of crucial industrial stakes.Using measurement techniques such as MRI imaging or electron microscopy, we studied the physics of fluid flow within model deformable and non-deformable porous media with pore sizes ranging from a couple of millimiters to a few nanometers, during imbibition or drying.A fundamental discovery our work features is the demonstration that during convective drying, in any case, namely even down to a nanometric pore size, and even if the material shrinks or fracture during the process, the liquid distribution within a sample evolves from the competition between two phenomena. Particularly, capillary re-equilibration caused by capillary effects inducing liquid flow to equilibrate Laplace pressure throughout the partially saturated regions of the samples, and, the inward development of an apparent dry region from the surface of the sample exposed to the airflow.In details, this manuscript shows that at all time capillary-equilibration enables to maintain a homogeneous saturation within the wet region of the porous sample and two regimes may be distinguished from considerations on the drying rate and the pore size of the material. Namely, for pore sizes superior to a couple of nano meters, a first regime exhibits a high drying rate down to lower saturation with increasing pore size, followed by a second regime where a dry region develops from the sample free surface, resulting in a falling rate period. Note that deformation such as shrinkage and crack may convey the extension of the period of high rate. However, in smaller pores the small curvature of the air-water interface limits the evaporation rate from the very beginning of the process and gives rise to a progressively decreasing drying rate while a homogeneous distribution of water is maintained throughout the sample. This last piece of information emphasizes that in nano-pores capillary equilibration still occurs in a series of instantaneous scattered rearrangements of liquid throughout the sample and finally that the flowing properties of the liquid strongly differ from standard unidirectional liquid flow


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