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Déposition de films minces par procédés d'enduction de type dip-coating .


English version

Personnes impliquées : M. Dey, F. Doumenc, B. Guerrier
Collaborations: J. Leng, C. Loussert, J.B. Salmon (LOF, CNRS)
ANR EVAPEC


D’un point de vue industriel, les techniques de déposition par séchage de solutions polymères ou dispersions colloïdales sont un enjeu majeur tant pour réaliser des dépôts uniformes que des dépôts volontairement structurés.

Un montage de type dip-coating a été développé au laboratoire (cf. Jing et al., 2010), utilisant la montée capillaire entre deux plaques parallèles partiellement immergées dans un réservoir contenant la dispersion. Ce montage a permis d'étudier la formation du dépôt pour un flux d'évaporation maîtrisé (controle de la température et de l'humidité de l'air de séchage) et en imposant la vitesse moyenne de la ligne de contact par pompage du réservoir à débit constant.

Plusieurs régimes ont été mis en évidence lorsque l'on diminue le débit de pompage et donc la vitesse de la ligne de contact V : on obtient successivement (i) un régime de type Landau-Levich (épaisseur du dépôt proportionnelle à V2/3), (ii) un régime évaporatif où l'évaporation a lieu majoritairement au niveau du ménisque (épaisseur du dépôt proportionnelle à 1/V); dans le régime évaporatif, on peut observer sous certaines conditions un régime d'autostructuration du dépot qui résulte d'un phénomène de ralentissement-accélération périodique de la ligne triple.

Des modèles ont été développés pour analyser l'impact des transferts de chaleur et de masse, de l'hydrodynamique et de la physico-chimie sur la morphologie du dépôt obtenu. Deux systèmes types sont considérés:
1. une solution polymère, avec prise en compte des variations de la viscosité, de l'activité et de la tension de surface avec la concentration. Les simulations réalisées montrent que l'effet Marangoni solutal est l'un des mécanismes pouvant conduire à une structuration périodique du dépôt (Figure 1).


Fig. 1 : Simulation du séchage d'une solution polymère à l'air ambiant dans un procédé de type blade-coating. Haut: Géométrie simulée - Bas: hauteur du film en fonction de la position sur le substrat (échelle semi-log) pour différentes valeurs du flux d'évaporation (Vitesse du substrat = 30µm/s, fraction volumique initiale = 0.01). On observe 3 solutions différentes selon la valeur du flux d'évaporation: profil stationnaire monotone (courbe verte), profil stationnaire non monotone (courbe bleue) et profil périodique (courbe rouge) - (extrait de Dey & al., EPJE, 2016)


2. une dispersion colloidale de shères dures. Contrairement au cas des solutions polymères, la pression osmotique et le coefficient de diffusion divergent pour une dispersion colloïdale au voisinage de la concentration de compactage. Il peut donc se former un film dense de colloïdes proches de la concentration de compactage et saturé en eau, ce qui influe sur la longueur d'évaporation. Un modèle permettant de simuler continûment le processus, du réservoir jusqu'au film sec, a été développé. Les résultats obtenus ont permis de distinguer plusieurs régimes pour la longueur d'évaporation.


Fig. 2 : Simulation du séchage d'une dispersion colloidale à l'air ambiant dans un procédé de type blade-coating. Gauche: Géométrie simulée - Droite: Longueur d'évaporation adimensionnée en fonction d'un nombre sans dimension M dépendant des propriétés de la dispersion et de la vitesse du substrat. Les résultats se regroupent sur une courbe maîtresse qui met en évidence deux régimes: pour M<<1, l'évaporation est limitée à la taille du ménisque comme dans le cas des solutions polymères. Pour M>>1, la longueur d'évaporation est beaucoup plus importante (extrait de Doumenc & al., Langmuir, 2016).

Publications

  • Patterns formation during the drying of a colloidal suspension; pinning of a receding contact line
    H.Bodiguel, F.Doumenc, B.Guerrier EPJ-ST vol.166, 2009.
    • [Abstract ]
  • Drying of colloidal and polymer solutions near the contact line: deposit thickness at low capillary number
    G. Jing, H. Bodiguel, F. Doumenc, E. Sultan, B. Guerrier Langmuir (2010). [Abstract ]
  • Stick-Slip Patterning at Low Capillary Numbers for an Evaporating Colloidal Suspension
    H. Bodiguel, F. Doumenc, B. Guerrier Langmuir 26,13 (2010). [Abstract ] and [Abstract ]
  • Self-assembly in drying complex fluid at low capillary number
    C. Hsueh, C. Moraila-Martinez, F. Doumenc, M. Rodriguez-Valverde and B. Guerrier Chem. Eng. Process 68 (2013). [Abstract ]
  • Self patterning induced by a solutal Marangoni effect in a receding drying meniscus
    F.Doumenc, B.Guerrier EuroPhys. Lett. 103 (2013). [Abstract ]
  • Numerical simulation of dip-coating in the evaporative regime
    M. Dey, F. Doumenc, B. Guerrier Eur. Phys. J. E 39 (2016). [Abstract ]
  • Modeling flow coating of colloidal dispersions in the evaporative regime: prediction of deposit thickness
    F. Doumenc, J.B. Salmon, B.Guerrier Langmuir 32 (2016). [Abstract ]
  • Humidity-insensitive water evaporation from molecular complex fluids
    J.B. Salmon, F. Doumenc, B.Guerrier Phys. Rev. E 96 (2017). [Abstract ]
  • Role of vapor mass transfer in flow coating of colloidal dispersions in the evaporative regime
    C. Loussert, F. Doumenc, J.B. Salmon, V. Nikolayev, B.Guerrier Langmuir 33 (2017). [Abstract ]