Drying of complex fluids near the contact line : experimental and numerical studies
Séchage de fluides complexes au voisinage d'une ligne de contact : étude expérimentale et numérique
Résumé
We study the pattern formation induced by drying colloidal suspensions and polymer solutions in a vertical Hele-Shaw cell immersed in a reservoir (dip-coating like set-up). The contact line speed is controlled by pumping the solution from the reservoir. At low capillary number stick-slip motion of the receding contact line is observed for silica suspensions. Periodic strips spontaneously form during drying. We study the wavelength and deposit morphology as a function of the mean receding velocity. The pinning force variation is deduced from the contact line displacement. The effect of the solution pH and size of the particles on the deposit morphology, wavelength, and pinning force is analyzed. Results are compared to some models of the literature. In the same conditions dried polymer films are almost flat, but stick-slip motion is found at higher temperature. In the second part of this manuscript, a 2D model has been developed to describe the flow inside the Hele-Shaw cell induced by the imposed velocity and non-uniform evaporation flux. The model is governed by Stokes equation and Fick's law. A small truncation at the meniscus tip is applied in order to avoid the singularity due to the divergence of the evaporation flux. Lubrication approximation as well as global mass balances are used to express the boundary conditions. Deposit thickness and the flow properties are studied as a function of the process parameters (imposed velocity, evaporation rate, and solute concentration) and the system properties (kinetic viscosity, diffusion coefficient). Finally, we compare our simulation results with a simple model. This model is a first step to study mass transfer in a meniscus
Nous étudions la structuration de dépôts lors du séchage de suspensions colloïdales et de solutions polymères, dans une cellule de Hele-Shaw verticale immergée dans un réservoir (même principe qu'une expérience de dip-coating). La vitesse de la ligne de contact est contrôlée en pompant la solution du réservoir. A faible nombre capillaire un phénomène d'accrochage-décrochage de la ligne triple apparaît lors du séchage des suspensions colloïdales de silice. Nous étudions la longueur d'onde et la morphologie du dépôt en fonction de la vitesse moyenne de la ligne de contact. La variation de force d'accrochage est déduite de l'observation en ligne du mouvement de la ligne de contact. Nous étudions l'influence du pH de la solution et de la taille des particules sur le dépôt. Dans les mêmes conditions, les films obtenus pas séchage de solutions polymères sont presque plats. On observe cependant une structuration à plus haute température. Dans la seconde partie du manuscrit, un modèle 2D a été développé pour décrire l'écoulement dans la cellule de Hele-Shaw induit par la vitesse imposée et le flux d'évaporation non uniforme. Les équations de Stokes et la loi de Fick sont utilisées pour décrire l'écoulement et les transferts. Une troncature est appliquée à la pointe du ménisque pour s'affranchir de la singularité due à la divergence du flux d'évaporation. L'approximation de lubrification et les bilans de masse permettent de définir les conditions aux limites à la troncature. L'épaisseur du dépôt et les propriétés de l'écoulement sont étudiées en fonction des paramètres du processus (vitesse imposée, flux d'évaporation, concentration) ainsi que des propriétés du système
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