EVAPEC — Séchage de fluides complexes dans des expériences de type "dip-coating".

Dans le cadre général des procédés de dépôts par enduction d’un film liquide sur un substrat et évaporation de solvants volatiles dans l’air, ce projet s’intéresse à des géométries avec ménisque ou ligne de contact mobile. Il cible plus particulièrement les procédés à faible vitesse de déplacement du substrat, pour lesquels l’évaporation au niveau du ménisque est importante et joue un rôle clé dans l’établissement de l’écoulement (régime évaporatif dans les configurations de type « dip-coating »). Il pose la question générale de l’impact de l’écoulement et des transferts de chaleur et de masse sur le dépôt sec obtenu durant ce régime. Les principaux objectifs sont d’une part une connaissance et compréhension approfondie des phénomènes dominants, et d’autre part l’obtention de prédictions quantitatives pour pouvoir optimiser les paramètres des procédés d’enduction en fonction des spécificités requises pour le dépôt sec. Une démarche couplant approches expérimentales et modélisation est adoptée pour répondre à ces objectifs. Des techniques de mesure innovantes seront notamment développées pour mesurer simultanément les champs de concentration et de vitesse dans le ménisque (l’un des montages sera monté sur une plateforme de microscope équipée de mesures PIV et spectroscopie Raman). Les expériences seront réalisées d’une part sur des systèmes modèles (solutions polymères ou dispersions colloïdales). Une caractérisation complète des propriétés de ces systèmes sera tout d’abord réalisée. En effet, une caractéristique de ces procédés de dépôt par séchage est la très importante variation des grandeurs physico-chimiques du fluide en fonction de la concentration en soluté (viscosité, tension de surface, coefficient de diffusion mutuelle …), ainsi que la transition d’un état liquide à un état solide (par exemple la formation d’un milieu poreux dans le cas d’une dispersion colloïdale). D’autre part, en complément de l’étude de ces systèmes modèles, nous allons faire porter une partie du programme sur l’important domaine de l’Electronique Organique (e. g. OLED Organic Light Emitting Diode, OPV Organic PhotoVoltaics), et deux chercheurs R&D de Solvay sont partie prenante de ce projet. Du point de vue modélisation, dans la continuité de travaux antérieurs, un premier défi sera le développement de modèles dynamiques prenant en compte l’hydrodynamique dans le ménisque, le couplage avec la phase gazeuse et incluant la variation avec la concentration des propriétés du système. L’objectif est de décrire (et donc pouvoir prédire) l’influence de l’écoulement sur le dépôt sec. Une question au cœur de cette étude sera la suivante : l’hydrodynamique et les transferts peuvent-ils être à l’origine de l’apparition potentielle du régime périodique qui entraîne la formation de structures régulières sur le dépôt ? Quels sont les phénomènes qui conditionnent ce régime périodique ? (question non résolue à l’heure actuelle). Le deuxième enjeu théorique concerne le séchage d’une dispersion colloïdale conduisant à la formation et consolidation d’un milieu poreux dense. Beaucoup de questions fondamentales se posent pour décrire la transition de la phase liquide au film final, et l’approfondissement de la description de cette transition sera l’un des enjeux de ce projet. Pour réaliser ce programme, nous utiliserons des modèles continus décrivant la transition d’un état dispersé à un assemblage dense de colloïdes, mais dans lesquels certaines propriétés (comme le coefficient de diffusion, la viscosité, la pression osmotique …) divergent pour une concentration critique. L’enjeu sera d’adapter ce type de modèles à la configuration de régime évaporatif où écoulement et transferts de masse sont couplés, et finalement d’obtenir un modèle complet prenant en compte l’hydrodynamique et la transition vers un milieu poreux, modèle qui sera donc capable de décrire toute la phase de séchage.