Drying of films of polymer solutions: effects of heterogeneities of the drying rate
Séchage de films de solutions polymères : effets d'hétérogénéités de la vitesse d'évaporation
Résumé
Liquid coating processes consist in spreading a liquid film containing particles or a solute on a substrate, then removing the solvent by evaporation. These processes are widely used in industry for their ability to functionalize large surfaces quickly. However, heterogeneities of the evaporation rate can appear spontaneously during drying, at the edges for example. This leads to deformations of the liquid/air interface, which generate flows within the liquid film. These flows transport the solute, resulting in a layer of heterogeneous thickness at the end of drying. The quantitative link between non-uniform evaporation and thickness heterogeneities in the final deposit has not been established in the literature. The aim of this thesis is to determine this link, under conditions where controlled evaporation rate heterogeneities are imposed. We focus on the drying of films of polymer solutions, which are sufficiently thin to remain homogeneous in their thickness. In the first studied system, the evaporation of a liquid film is locally blocked by placing a mask just above its surface. The final dry deposit shows a depression in the masked area, as well as bumps at the boundary with the unmasked area, whose width may be greater than the initial film thickness. This relief results from flows induced in the film from the non-evaporating zone to the non-zero evaporation zone. By linearizing the thinfilm equation, we obtain analytical solutions for thickness profiles during drying in the
limit cases where flows are induced solely by capillarity or gravity. We demonstrate that gravity plays a role in film deformation for initial thicknesses that can be an order of magnitude smaller than the capillary length. We thus quantitatively predict the width and amplitude of dry deposit thickness heterogeneities obtained in a gravity-dominated regime. Our results can be generalized to any situation involving non-uniform evaporation rates, and show that the key parameter for reducing the relief of a dry deposit is the initial thickness of the liquid film. In the second studied system, the film is dried in the presence of a laminar air flow. The air is more and more concentrated in vapour as it passes over the liquid, so the evaporation rate is not uniform across the sample. Initially, the film dries faster at the edge located on the side of the air inlet, then when it is dry there, the area with the highest evaporation rate shifts towards the opposite edge. This forces the propagation of a drying front in the same direction as the air flow. If the size of the film in this direction is sufficiently large, a stationary regime is reached in which the drying front moves at constant speed. By performing a material balance over the entire solvent-air diffusion boundary layer and using a prior thermal calibration of the system, we predict the temperature and evaporation rate at each point of the film over time, these quantities being coupled to each other. Wethen calculate the propagation velocity of the steady-state drying front, which is in excellent agreement with the values measured using an experimental set-up we have developed. We also adapt the model developed for the evaporation mask to calculate the amount of polymer transported by the flows that are set up in the liquid phase during steady-state film drying. This provides a better understanding of the shape of dry deposits obtained after drying in the presence of a laminar air flow.
Les procédés de dépôt par voie liquide consistent à étaler un film liquide contenant des particules ou un soluté sur un substrat, puis à retirer le solvant par évaporation.L’ usage de ces procédés est répandu dans l’industrie car ils permettent de fonctionnaliser rapidement de grandes surfaces. Cependant, des hétérogénéités de la vitesse d’évaporation peuvent apparaître spontanément au cours du séchage, au niveau des bords par exemple. Cela conduit à des déformations de l’interface liquide/air, qui génèrent à leur tour des écoulements à l’intérieur du film liquide. Ces écoulements transportent le soluté, et résultent en l’obtention d’une couche d’épaisseur hétérogène à la fin du séchage. Le lien quantitatif entre évaporation non uniforme et hétérogénéités d’épaisseur du dépôt final n’a pas été établi dans la littérature. Le but de cette thèse est de déterminer ce lien, en se plaçant dans des conditions dans lesquelles des hétérogénéités contrôlées de la vitesse d’évaporation sont imposées. Nous nous focalisons sur le séchage de films de solutions polymères, qui sont suffisamment minces pour rester homogènes dans leur épaisseur. Dans le premier système étudié, l’évaporation d’un film liquide est bloquée localement en plaçant un masque juste au-dessus de sa surface. Le dépôt sec final présente un creux dans la zone masquée, ainsi que des bosses à la frontière avec la zone non masquée, dont la largeur peut être plus grande que l’épaisseur initiale du film. Ce relief résulte des écoulements induits dans le film allant de la zone sans évaporation vers la zone d’évaporation non nulle. En linéarisant l’équation des films minces, nous obtenons des solutions analytiques pour les profils d’épaisseur au cours du séchage dans les cas limites où les écoulements sont induits uniquement par la capillarité ou par la gravité. Nous démontrons que la gravité
joue un rôle dans la déformation des films pour des épaisseurs initiales pouvant être inférieures à la longueur capillaire d’un ordre de grandeur. Nous prédisons ainsi quantitativement la largeur et l’amplitude des hétérogénéités d’épaisseur du dépôt sec obtenus dans un régime dominé par la gravité. Nos résultats sont généralisables à toute situation mettant en jeu des vitesses d’évaporation non uniforme et montrent que le paramètre clé pour diminuer le relief d’un dépôt sec est l’épaisseur initiale du film liquide. Dans le second système étudié, le film est séché en présence d’un flux d’air laminaire. L’air se concentre en vapeur à mesure qu’il passe au-dessus du liquide, et c’est pourquoi la vitesse d’évaporation n’est pas homogène sur tout l’échantillon. Initialement, le film sèche plus vite au niveau du bord situé du côté de l’arrivée d’air puis, lorsqu’il est sec à cet endroit, la zone ayant la plus forte vitesse d’évaporation se décale vers le bord opposé. On force ainsi la propagation d’un front de séchage dans le même sens que l’écoulement d’air. Si la dimension du film dans cette direction est suffisamment grande, un régime stationnaire dans lequel le front de séchage se déplace à vitesse constante est atteint. En réalisant un bilan de matière sur l’ensemble de la couche limite de diffusion du solvant dans l’air et en utilisant une calibration thermique préalable du système, nous prédisons la température et la vitesse d’évaporation en chaque point du film au cours du temps, ces grandeurs étant couplées l’une à l’autre. Nous en déduisons la vitesse de propagation du front de séchage en régime stationnaire, qui est en excellent accord avec les valeurs mesurées à l’aide d’un dispositif expérimental que nous avons mis au point. Nous adaptons également le modèle développé dans le cas du masque d’évaporation afin de calculer la quantité de polymère transportée par les écoulements qui se mettent en place dans la phase liquide lors du séchage du film en régime stationnaire. Cela permet de mieux comprendre la forme des dépôts secs obtenus après séchage en présence d’un flux d’air laminaire.
Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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