Séchage de solutions polymères : diffusion mutuelle, instabilités et plissement
Institution:
Paris 11Disciplines:
Directors:
Abstract EN:
Drying of polymer films is involved in a lot of processes as varnish or paint deposits on a solid plane substrate. The problem takes into account complex physical phenomena, coupling heat and mass transfer from the film to the dried air. In particular, the development of polymer concentration gradient near free surface during solvent evaporation leads to a mutual diffusion process polymer/solvent. Mutual diffusion coefficient is then one of the key parameter describing the process. On one hand, its dependence with mass fraction of solvent when the film reaches concentrated state exclude any experimental approaches. On the other hand, the strong non-linearity of diffusion equation leads to limited theoretical approaches. The first part of this manuscript is devoted to drying kinetics analysis. We show the existence of different possible morphologies and the correlation with heat and mass transfer phenomena. In the second part, we try to get an estimation of the mutual diffusion coefficient using an estimation method and drying kinetics of PIB/toluene films. The method consist to minimize errors between experimental mass data and calculated data obtained from a modelling of the process. The modelization takes into account both heat and mass transfer and mutual diffusion, in a 1D hypothesis. The last part of the manuscript is devoted to experimental observation of wrinkles at the surface of films in some range of drying conditions, and tries to develop a first analysis of the phenomenon.
Abstract FR:
Le séchage de solutions polymères intervient dans de nombreux procédés tels que l'enduction de peintures ou de vernis sur des substrats solides. Le problème met en jeu des phénomènes physiques complexes, couplant à la fois des phénomènes de transferts thermiques et massiques entre le film et le milieu extérieur. En particulier, l'apparition de gradients de concentration en polymères dans l'épaisseur de la couche polymère pendant l'évaporation du solvant engendre un processus de diffusion entre solvant et polymère. En particulier, le coefficient de diffusion mutuelle solvant/polymère est un des paramètres clé intervenant dans le processus. Sa forte dépendance avec la fraction massique en solvant quand le film passe de l'état semi dilué à l'état concentré rend sa détermination expérimentale très difficile. D'autre part, la forte non linéarité de l'équation de diffusion rend l'approche théorique de ce coefficient limitée. Une première partie de ce manuscrit est consacré à l'analyse de cinétiques de séchage obtenues à partir d'un système semi-dilué PIB/toluène dans une configuration se séchage plane. Nous montrons en particulier l'existence de plusieurs types de cinétiques possibles et la corrélation qui existe avec les transferts thermiques et massiques. Une deuxième partie s'attache à estimer le coefficient de diffusion mutuelle solvant/polymère par une méthode d'optimisation, prenant en compte des cinétiques de séchage de films. La méthode employée consiste à minimiser les erreurs entre la masse mesurée et la masse calculée à partir d'un modèle de séchage, prenant en compte à la fois les transferts massiques, thermiques et la diffusion mutuelle. Enfin, un troisième partie sera consacrée à l'apparition de plis mise en évidence à la surface des films dans certaines conditions de séchage et à l'analyse du phénomène.