Swelling and wetting of model elastic fibers

par Pierre Van de velde

Thèse de doctorat en Mécanique des fluides et des solides, acoustique

Sous la direction de Camille Duprat et de Suzie Protière.

Soutenue le 30-09-2022

à l'Institut polytechnique de Paris , dans le cadre de École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris , en partenariat avec École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....) (établissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire d'Hydrodynamique de l'École polytechnique (Palaiseau, Essonne) (laboratoire) .

Le président du jury était Yoël Forterre.

Le jury était composé de Camille Duprat, José Bico, Thomas Salez, Suzie PROTIèRE, Élise Lorenceau, Stéphane Dorbolo.

Les rapporteurs étaient José Bico, Thomas Salez.

mots clés

• Fibres
• Gonflement
• Capillarité
• Experiences
• Mouillage
• Gouttes

Titre traduit

Gonflement et mouillage de fibres élastiques modèles

Résumé

Nous étudions le gonflement de fibres élastiques modèles interagissant avec des solvants favorables. Nous étudions d’abord l’absorption d’une goutte de solvant posée sur une fibre d’elastomère. Nous calculons le temps nécessaire à l’absorption complète de la goutte et modélisons la dynamique de l’absorption à l’aide d’un modèle pseudo-diffusif du gonflement. Nous examinons ensuite expérimentalement et théoriquement l’effet qu’a le gonflement sur une fibre tendue. Le système est modélisé grâce à la poroelasticité linéaire. Nous étudions ensuite l’absorption simultanée de deux gouttes posées sur la même fibre. Si les gouttes sont assez proches l’une de l’autre, nous observons l’apparition de fluide éjecté de la fibre. Nous appelons ce phénomène « deswelling ». Il peut conduire à la coalescence des deux gouttes initiales. Nous comprenons et prédisons le deswelling grâce à notre modèle poroelastique. Ensuite, nous étudions un textile modèle simpliste composé de deux fibres parallèles. Nous plongeons d’abord un côté des fibres dans un bain de solvant et observons la montée capillaire couplée au gonflement des fibres. Le gonflement permet une imprégnation à des distances entre les fibres élevées. Nous observons une nouvelle dynamique d’imprégnation à vitesse constante. Cette vitesse dépend des propriétés de gonflement de la fibre. Finalement, nous considérons l’absorption d’une goutte de solvant ces mêmes deux fibres qui couple le problème élastocapillaire d’une goutte entre deux fibres au gonflement.

mots clés

• Fibers
• Swelling
• Capillarity
• Experiments
• Drops
• Wetting

Résumé

We study the swelling of model elastic fibers interacting with favourable solvents. We first consider the absorption of a single solvent drop sitting on a swelling fiber. We calculate the time it takes for the drop to be absorbed by the fiber and model the dynamics using a pseudo-diffusive model of the swelling. We then examine the effect of swelling on the tension within an initially stretched fiber both experimentally and theoretically. We model our system in the framework of linear poroelasticity. We then study the simultaneous absorption of two drops on the same fiber. If the drops are close enough to one another, we observe a spontaneous fluid release from the fiber called “deswelling”. The deswelling can lead to a coalescence of the initial drops. The deswelling can be understood and predicted using our poroelastic model. We then move on to consider the simplest possible model textile, composed of two parallel fibers. The fibers are first tipped into a solvent bath, leading to a capillary imbibition, which is coupled to swelling of the fibers. The swelling allows for an imbibition at large interfiber distances. We observe a new imbibition dynamic at a constant velocity which depends on the swelling behaviour of the fiber. Finally, we consider the absorption of a drop of solvent placed between the two stretched fibers. This problem couples the elastocapillary problem of a drop placed between stretched fibers with swelling.