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Theses Year : 2012

Wetting of soluble polymers

Mouillage de polymères solubles

(1)
1
Julien Dupas
  • Function : Author
  • PersonId : 936062

Abstract

The wetting of a soluble substrate is a situation commonly encountered in day-to-day life. For instance, the practical motivation of this study concerns the preparation of beverages using dehydrated powders, consisting of water-soluble substances such as carbohydrates. Hydrodynamical theories describing wetting onto insoluble substrates cannot account for experimental observations in the case of a liquid spreading onto a soluble substrate. Tay et al.(1) made the hypothesis that the water content at the contact line controls the contact angle value and they showed the importance of the evaporation/condensation of the solvent during wetting. In this study, we demonstrate that other mass transfers have to be considered to improve the understanding on wetting dynamics on soluble surfaces; thus diffusion within the polymer of the condensed water or directly from the droplet are processes that contribute to the hydration of the substrate and the modification of the contact angle of the drop. Therefore, we use the following approach to carry out this study: (i) finite elements simulations are performed in order to take into account diffusion effects in the layer and validate our theoretical arguments, (ii) spreading experiments of water onto maltodextrin thin layers are performed in order to study the wetting and the hydration ahead the contact line. This work allows us to highlight the influence of the diffusion in the polymer that makes the hydration profiles ahead the contact line more complex with a diffusion region where evaporation occurs. A wetting diagram thickness-velocity (e−U) with different regimes is established. Those regimes are validated with the experimental data. In particular, we evidence a regime where the contact angle is a function of the quantity eU. Furthermore, we evidence the effect of glass transition in the polymer on the contact angle and the hydration of the substrate. Finally, a preliminary study is performed to understand the influence of another transfer at stake in the wetting process: the dissolution of the polymer in the solvent.
Le mouillage d'un substrat soluble est une situation couramment rencontrée dans la vie de tous les jours les jours. Par exemple, les motivations pratiques de cette étude concernent la préparation de boissons à partir de poudres déshydratées, constituées de substances solubles dans l'eau telles que les glucides. Les modèles hydrodynamiques décrivant le mouillage sur un substrat non soluble ne peuvent pas expliquer les observations expérimentales dans le cas d'un liquide s'étalant sur un substrat soluble. Tay et al.(1) ont émis l'hypothèse que la fraction d'eau à la ligne de contact contrôle la valeur de l'angle de contact et ils ont montré l'importance du processus d'évaporation/condensation du solvant lors du mouillage. Dans cette étude, nous montrons que d'autres transferts de matière doivent être considérés pour améliorer la compréhension du processus de mouillage d'une couche soluble; ainsi la diffusion dans le polymère de l'eau condensée, ou directement depuis la goutte sont des processus qui contribuent à hydrater le substrat et modifier l'angle de contact de la goutte. Nous avons utilisé l'approche suivante pour réaliser cette étude: (i) pour prendre en compte la diffusion dans le substrat, nous avons réalisé des simulations en éléments finis qui permettent de valider nos arguments théoriques, (ii) des expériences d'étalement de goutte sur des couches minces de maltodextrine ont été réalisées afin d'étudier le mouillage et l'hydratation en avant de la ligne de contact. Ce travail nous permet de mettre en avant l'influence de la diffusion dans la couche qui complexifie les profils d'hydratation en avant de la ligne de contact, avec notamment l'apparition d'une région de diffusion où de l'évaporation est observée. Un diagramme de mouillage épaisseur-vitesse (e − U) avec différents régimes est établi. Nous validons ces régimes expérimentalement et plus particulièrement un régime où l'angle de contact est une fonction du produit eU. Par ailleurs, nous montrons l'influence de la transition vitreuse du polymère sur l'angle de contact et l'hydratation. Enfin, une étude préliminaire est réalisée pour comprendre l'influence de la dissolution du polymère lors du mouillage.
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Dates and versions

pastel-00781130 , version 1 (25-01-2013)

Identifiers

  • HAL Id : pastel-00781130 , version 1

Cite

Julien Dupas. Wetting of soluble polymers. Soft Condensed Matter [cond-mat.soft]. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2012. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨pastel-00781130⟩
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