Lyophobic Heterogeneous Systems: Influence of temperature and velocity on forced intrusion/extrusion cycles of non-wetting liquids in mesoporous materials
Systèmes Hétérogènes Lyophobes: Influence de la température et de la vitesse sur les cycles d'intrusion/extrusion forcées de liquides non mouillants dans des matériaux mésoporeux
Résumé
A lyophobic heterogeneous system consists of a mesoporous material and a nonwetting liquid in relation to this material. By exerting an external pressure on the system, one can force the liquid to penetrate the pores and then to come out by decreasing the pressure. The resulting pressure hysteresis is significant of an energy dissipation which can be used for very specific damping applications sought by the space industry. To understand the physics governing the intrusion and extrusion of liquid in pores of nanometer size, and to characterize the influence of temperature and velocity on the system are the main objectives of this study. An original testing apparatus was designed to carry out intrusion/extrusion cycles, using different liquids and mesoporous silicas, at frequencies ranging from 0.01 to 20 Hz and temperatures between 20 and 80°C. These experiments proved that the water/hydrophobic mesoporous silica works up to 20 Hz. Theories of macroscopic thermodynamics (capillarity theory and nucleation model) were used to explain the experimental measurements. The very good agreement between experiments and theory showed the need to take into account the line tension in the nucleation energy required for the extrusion. Thus, a value of the water line tension was determined experimentally.
Un système hétérogène lyophobe est constitué d'un matériau mésoporeux et d'un liquide non mouillant vis-à-vis de ce matériau. En exerçant une pression externe sur le système, on peut forcer le liquide à pénétrer dans les pores puis à en ressortir en diminuant cette pression. L'hystérésis de pression qui en résulte est significative d'une dissipation d'énergie qui peut être utilisée pour des applications d'amortissement bien spécifiques recherchées par l'industrie spatiale. Comprendre les phénomènes physiques qui régissent l'intrusion et l'extrusion de liquide dans des pores de taille nanométrique, ainsi que caractériser l'influence de la température et de la vitesse sur le système sont les principaux objectifs de cette étude. Un dispositif d'essais original a donc été conçu pour réaliser des cycles d'intrusion/extrusion, employant différents liquides et silices mésoporeuses, à des fréquences variant de 0.01 à 20 Hz et des températures comprises entre 20 et 80°C. Ces essais ont prouvé que le système eau/silice mésoporeuse hydrophobe fonctionne jusqu'à 20 Hz. Des théories de thermodynamique macroscopique (théorie de capillarité et modèle de nucléation) ont été utilisées pour expliquer les mesures expérimentales. L'accord expériences/théorie, très bon, a notamment montré la nécessité de prendre en compte la tension de ligne dans l'énergie de nucléation nécessaire à l'extrusion. Une valeur de la tension de ligne de l'eau a ainsi été déterminée expérimentalement.
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