Structure et élasticité des films moussés : Effets de la distribution des tailles des bulles

Structure and elasticity of foamed films : Effects of bubble size distribution

• Auteur / Autrice : Aymeric Mouquet
• Direction : Olivier Pitois
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des Matériaux
• Date : Soutenance le 31/10/2018
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Navier (Paris-Est)
• Jury : Président / Présidente : Xavier Chateau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Pitois, Tamar Saison, Marc Durand
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Wiebke Drenckhan, Éric Maire

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polymères poreux

Microfluidique

Mousses de polyuréthanes

Mots clés libres

Films

Mousse

Mécanique

Polymère

Microfluidique

Films

Foam

Mechanics

Polymer

Microfluidics

Résumé

L’objet de ce travail expérimental est l’étude de la mécanique de films de mousses dont la structure est confinée par leur faible épaisseur. A partir d’une méthode de moussage de dispersion de particules de polyuréthane, nous sommes parvenus à contrôler, de façon indépendante, la fraction d’air (ou la densité) de ces films, leur épaisseur e et la distribution des tailles de leurs pores (de diamètre moyen D ̅_b). Pour ce dernier paramètre, nous nous sommes intéressés au cas de distributions monodisperse, bidisperse et polydisperses. Les différentes structures obtenues ont été étudiées par tomographie aux rayons X, de manière à quantifier l’ordre induit par le confinement (profils de densité, position des centres de pores, tailles des éléments structuraux,…). Nous nous sommes intéressés à la mécanique de ces films de mousse en tension (dans le plan du film) et en compression (dans le plan orthogonal au film). Un travail spécifique mené sur la matrice de polymère nous a permis de déterminer des grandeurs adimensionnées (modules et contraintes caractéristiques) permettant une comparaison avec les données et les modèles de la littérature. Nous montrons qu’en plus de l’effet classique de la densité, le nombre moyen de bulles à travers l’épaisseur, i.e. e⁄D ̅_b , est un paramètre déterminant pour les deux directions de sollicitation. En élongation, les couches pariétales contribuent à augmenter le module élastique des films par rapport à une mousse non-confinée. Ce renforcement est d’autant plus important (jusqu’à deux fois) lorsque e⁄D ̅_b est faible, quel que soit le type de distribution des tailles de pores. En compression, les couches pariétales ne contribuent pas directement, mais le confinement joue également un rôle important, avec cette fois-ci un impact déterminant de la distribution des tailles de pores. Ainsi, un film de mousse monodisperse est ordonné comme un polycristal et présente des caractéristiques mécaniques nettement plus élevées qu’un film de mousse polydisperse, comportant de nombreuses zones de faiblesse mécanique engendrées par les défauts d’empilement des bulles initiales. Les films de mousse bidisperses ont une réponse mécanique qui se rapproche soit des mousses monodisperses, pour de relativement grands rapports e⁄D ̅_b , soit des mousses polydisperses, pour de relativement petits rapports( e)⁄D ̅_b

The subject of this experimental work is the study of foam films mechanics with a confined structure because of their low thickness. With our foaming method using polyurethane particles dispersion, we generated foam films with independent control over the gas fraction (or the density), the thickness e or the pore size distribution (with a mean diameter D ̅_b). For this last parameter, we focused on monodisperse, bidisperse and polydisperse distributions. Obtained structures were studied using X-ray tomography to quantify confinement-induced order (density profiles, pore center spatial position, structural elements size,…). The mechanics of such foam films was studied in both uniaxial tension (in-plane) and compression (orthogonal plan). A particular work was done on the polymer matrix in order to determine reduced values (moduli and characteristic stress) to compare our results with models in the literature. We show that in addition to the classic density effect, the mean number of bubbles across the thickness, i.e. e⁄D ̅_b is a determinant parameter for both stress directions. In tension, parietal walls contribute to increase the elastic modulus of films with respect to non-confined foam. This effect on the mechanical strength is even more important (up to two times) when e⁄D ̅_b is small without any effect regarding the pore size distribution. In compression, parietal walls do not contribute directly to the measured values but the confinement still has an important role, this time depending on the pore size distribution. Indeed, monodisperse foam films are organized in polycrystals with much better mechanical characteristics compared to polydisperse foam films that present numerous mechanical weak spots caused by initial bubble packing defects. Bidisperse foam films mechanical behavior is either close to monodisperse or polydisperse foam films respectively for high or small e⁄D ̅_b ratio