Kyoto University (京都大学) / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第19007号 / 工博第4049号 / 新制||工||1623 / 31958 / 京都大学大学院工学研究科高分子化学専攻 / (主査)教授 伊藤 紳三郎, 教授 赤木 和夫, 教授 辻井 敬亘 / 学位規則第4条第1項該当

The spinning process of hollow fiber membranes was investigated with regards to two fundamental phenomena: flow (shear and elongation) and phase separation. Quantitative analysis of phase separation kinetics of binary (polymer/solvent) and ternary (polymer/solvent/volatile co-solvent) polymer solution was carried out with a newly developed microfluidic device. The device enables visualization of in situ phase separation and structure formation in controlled vapor and liquid environments. Results from these studies indicated that there was a weak correlation between phase separation kinetics and macroscopic defect (macrovoid) formation. In addition, the effect of shear and elongation on membrane morphology was tested by performing fiber extrusion through microfluidic channels. It was found that the membrane morphology is dominated by different factors depending on the rate of deformation. At high shear rates typical of spinning processes, shear was found to induce macrovoid formation through normal stresses, while elongation suppressed macroscopic defect formation. Furthermore, draw resonance, one of the key instabilities that can occur during fiber spinning, was investigated. It was found that draw resonance occurs at aggressive elongation condition, and could be suppressed by enhanced phase separation kinetics. These results can be used as guidelines for predicting hollow fiber membrane spinnability.

<p>The surface of cell membranes can display a high degree of lateral heterogeneity. This non-uniform distribution of constituents is characterized by mobile nanodomain clusters called rafts. Enriched by saturated phospholipids, cholesterol and proteins, rafts are considered to be vital for several important cellular functions such as signalling and trafficking, morphological transformations associated with exocytosis and endocytosis and even as sites for the replication of viruses. Understanding the evolving distribution of these domains can provide significant insight into the regulation of cell function. Giant vesicles are simple prototypes of cell membranes. Microdomains on vesicles can be considered as simple analogues of rafts on cell membranes and offer a means to study various features of cellular processes in isolation. </p><p>In this work, we employ a continuum approach to model the evolution of microdomains on the surface of Giant Unilamellar Vesicles (GUVs). The interplay of species transport on the vesicle surface and the mechanics of vesicle shape change is captured using a chemo-mechanical model. Specifically, the approach focuses on the regime of vesicle dynamics where shape change occurs on a much faster time scale in comparison to species transport, as has been observed in several experimental studies on GUVs. In this study, shape changes are assumed to be instantaneous, while species transport, which is modeled by phase separation and domain coarsening, follows a natural time scale described by the Cahn--Hilliard dynamics.</p><p>The curvature energy of the vesicle membrane is defined by the classical Canham--Helfrich--Evans model. Dependence of flexural rigidity and spontaneous curvature on the lipid species is built into the energy functional. The chemical energy is characterized by a Cahn--Hilliard type density function that intrinsically captures the line energy of interfaces between two phases. Both curvature and chemical contributions to the vesicle energetics are consistently non-dimensionalized.</p><p>The coupled model is cast in a diffuse-interface form using the phase-field framework. The phase-field form of the governing equations describing shape equilibrium and species transport are both fourth-order and nonlinear. The system of equations is discretized using the finite element method with a uniform cubic-spline basis that satisfies global higher-order continuity. For shape equilibrium, geometric constraints of constant internal volume and constant surface area of the vesicle are imposed weakly using the penalty approach. A time-stepping scheme based on the unconditionally gradient-stable convexity-splitting technique is employed for explicit time integration of nonlocal integrals arising from the geometric constraints.</p><p>Numerical examples of axisymmetric stationary shapes of uniform vesicles are presented. Further, two- and three-dimensional numerical examples of domain formation and growth coupled to vesicle shape changes are discussed. Simulations qualitatively depicting curvature-dependent domain sorting and shape changes to minimize line tension are presented. The effect of capturing the difference in time scales is also brought out in a few numerical simulations that predict a starkly different pathway to equilibrium.</p> / Dissertation

In this thesis, the macroscopic phase separation of milk proteins and high molecular weight oat beta-glucan was investigated. A better knowledge of this model system will improve our ability to control structure in dairy gels containing nutritionally significant concentrations of dietary fiber. A phase behaviour diagram was obtained experimentally, and the results were then modelled using theoretical models based on thermodynamic incompatibility between casein micelles and beta-glucan and demonstrated that casein micelles are the main contributors to the instability of these mixtures. Water in water emulsion systems formed at high concentrations of protein and beta-glucan upon mixing, and were visualized using confocal scanning laser microscopy. For the first time, the dynamics of phase separation of these mixtures were followed using diffusing wave and ultrasonic spectroscopy, as well as with rheological methods. The work explored the formation of different bi-continuous networks by controlling the gelation of the protein phase using chymosin. This enzymatic reaction specifically destabilizes the casein micelles, allowing for a kinetic control of protein gelation within or between phase separated domains. The addition of -carrageenan and the effect of shear on the mixtures were evaluated as possible strategies for controlling the growth of the phase separated domains in dairy gels containing concentrations of beta-glucan high enough to be nutritionally significant. Results indicated that different structures could be obtained depending on the processing conditions, for example, the mode of addition of the polysaccharides or the pre-shearing conditions. This work represents a novel approach for incorporating nutritionally significant concentrations of beta-glucan in dairy foods, and serves as proof of concept for further development of an important application area linked to the development of reduced fat dairy products with additional health benefits. / Canadian Dairy Commission (CDC) and Natural Sciences and Engineering Research Council (NSERC)

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第23732号 / 理博第4822号 / 新制||理||1690(附属図書館) / 京都大学大学院理学研究科化学専攻 / (主査)教授 北川 宏, 教授 吉村 一良, 教授 竹腰 清乃理 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DGAM

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第23921号 / 工博第5008号 / 新制||工||1782(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科高分子化学専攻 / (主査)教授 古賀 毅, 教授 中村 洋, 教授 竹中 幹人 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DGAM

Η ανάπτυξη που σημειώθηκε τις τελευταίες δεκαετίες στον τομέα της εξόρυξης υδρογονανθράκων οδήγησε στην υιοθέτηση όλο και πιο σύγχρονων τεχνικών διαχωρισμού των προϊόντων στην πηγή. Οι φυγοκεντρικοί διαχωριστές είναι η πιο επιτυχημένη και διαδεδομένη εφαρμογή. Σε αυτή την γκάμα, έρχεται να προστεθεί και ο πρότυπος φυγοκεντρικός διαχωριστής που παρουσιάζεται στην παρούσα εργασία. Η ανάλυση προσπαθεί να ισορροπήσει μεταξύ μίας «αυστηρά επιστημονικής» ανάλυσης του στροβιλώδους πεδίου διφασικής ροής μέσα στο διαχωριστή και μιας πιο «πρακτικής» ανάλυσης της απόδοσης της συγκεκριμένης συσκευής. Η πρώτη είναι απαραίτητη λόγω της πρωτοτυπίας που παρουσιάζει το συγκεκριμένο επιστημονικό πεδίο και της έλλειψης προγενέστερων μελετών που να καλύπτουν το θέμα, ενώ η δεύτερη είναι επιβεβλημένη λόγω της «πρακτικότητας» που προσδοκούμε να έχει το τελικό αποτέλεσμα. Ο προσδιορισμός του προβλήματος που θέτει προς επίλυση η παρούσα εργασία και η ανασκόπηση βιβλιογραφίας που καθορίζει σε μεγάλο βαθμό την κατεύθυνση που θα ακολουθήσει η έρευνα, γίνεται στο 1ο κεφάλαιο. Για την αντιμετώπιση του προβλήματος ακολουθείται η τυπική διαδικασία εξέλιξης ενός βιομηχανικού προϊόντος σε τέσσερα στάδια. Στο 1ο στάδιο αρχικά αναλύεται η ιδέα –concept- λειτουργίας και η θεωρία πάνω στην οποία βασίζεται. Στο 2ο στάδιο γίνεται αρχική διερεύνηση λειτουργίας του διαχωριστή, με προσομοίωση της ροής με Υπολογιστή Ρευστομηχανική. Στο 3ο στάδιο γίνεται πειραματική – παραμετρική ανάλυση της λειτουργίας του διαχωριστή. Τέλος, στο 4ο στάδιο γίνεται επιβεβαίωση – πιστοποίηση της τεχνικής προσομοίωσης. Στο 2ο κεφάλαιο γίνεται μία θεωρητική ανάλυση των εξισώσεων που διέπουν τη ροή των ρευστών. Οι εξισώσεις κίνησης αναπτύσσονται και εξηγείται πως διαμορφώνονται μετά την ανάπτυξη της τύρβης. Στο σημείο αυτό γίνεται αντιληπτό ότι δεν είναι δυνατή η επίλυσή τους με αναλυτικές μεθόδους αλλά με αριθμητικές. Αυτή είναι και η απαρχή της εισόδου των αριθμητικών μεθόδων στη μηχανική ρευστών. Στο 3ο κεφάλαιο παρατίθεται το θεωρητικό υπόβαθρο πάνω στο οποίο βασίζεται η ανάλυση των διφασικών ροών αλλά και των στροβιλωδών ροών, έννοιες που συναντώνται στα επόμενα κεφάλαια. Η θεωρητική ανάλυση ολοκληρώνεται στο 4ο κεφάλαιο με την εμβάθυνση στην αριθμητική επίλυση των εξισώσεων του 2ου κεφαλαίου. Αρχίζουμε με μία σύντομη παρουσίαση των μεθόδων που αναπτύχθηκαν τις τελευταίες δεκαετίες, επικεντρώνοντας στη μέθοδο που χρησιμοποιούμε στην παρούσα εργασία. Στη συνέχεια παρατίθενται διάφορα μοντέλα προσομοίωσης ροών επικεντρώνοντας στις διφασικές ροές. Επειδή το αντικείμενο αυτό περιλαμβάνει εκτεταμένες μαθηματικές αναλύσεις, μεταφέρθηκαν αρκετά τμήματα στο παράρτημα 1, ώστε το κυρίως κείμενο της εργασίας να παρουσιάζει ομοιογένεια και να διατηρεί την ισορροπία μεταξύ της θεωρητικής ανάλυσης και της πρακτικής – ερευνητικής προσέγγισης που αναφέρθηκε προηγουμένως. Από το 5ο κεφάλαιο ξεκινά η παρουσίαση του καθαρά ερευνητικού έργου και ακολουθείται η λογική και χρονολογική σειρά που αναλύθηκε πριν, με τα τέσσερα στάδια εξέλιξης του «προϊόντος». Σε αυτό λοιπόν το κεφάλαιο αναλύεται η ιδέα –concept- λειτουργίας και η θεωρία πάνω στην οποία βασίζεται και παρουσιάζονται σχέδια από την Η ανάπτυξη που σημειώθηκε τις τελευταίες δεκαετίες στον τομέα της εξόρυξης υδρογονανθράκων οδήγησε στην υιοθέτηση όλο και πιο σύγχρονων τεχνικών διαχωρισμού των προϊόντων στην πηγή. Οι φυγοκεντρικοί διαχωριστές είναι η πιο επιτυχημένη και διαδεδομένη εφαρμογή. Σε αυτή την γκάμα, έρχεται να προστεθεί και ο πρότυπος φυγοκεντρικός διαχωριστής που παρουσιάζεται στην παρούσα εργασία. Η ανάλυση προσπαθεί να ισορροπήσει μεταξύ μίας «αυστηρά επιστημονικής» ανάλυσης του στροβιλώδους πεδίου διφασικής ροής μέσα στο διαχωριστή και μιας πιο «πρακτικής» ανάλυσης της απόδοσης της συγκεκριμένης συσκευής. Η πρώτη είναι απαραίτητη λόγω της πρωτοτυπίας που παρουσιάζει το συγκεκριμένο επιστημονικό πεδίο και της έλλειψης προγενέστερων μελετών που να καλύπτουν το θέμα, ενώ η δεύτερη είναι επιβεβλημένη λόγω της «πρακτικότητας» που προσδοκούμε να έχει το τελικό αποτέλεσμα. Ο προσδιορισμός του προβλήματος που θέτει προς επίλυση η παρούσα εργασία και η ανασκόπηση βιβλιογραφίας που καθορίζει σε μεγάλο βαθμό την κατεύθυνση που θα ακολουθήσει η έρευνα, γίνεται στο 1ο κεφάλαιο. Για την αντιμετώπιση του προβλήματος ακολουθείται η τυπική διαδικασία εξέλιξης ενός βιομηχανικού προϊόντος σε τέσσερα στάδια. Στο 1ο στάδιο αρχικά αναλύεται η ιδέα –concept- λειτουργίας και η θεωρία πάνω στην οποία βασίζεται. Στο 2ο στάδιο γίνεται αρχική διερεύνηση λειτουργίας του διαχωριστή, με προσομοίωση της ροής με Υπολογιστή Ρευστομηχανική. Στο 3ο στάδιο γίνεται πειραματική – παραμετρική ανάλυση της λειτουργίας του διαχωριστή. Τέλος, στο 4ο στάδιο γίνεται επιβεβαίωση – πιστοποίηση της τεχνικής προσομοίωσης. Στο 2ο κεφάλαιο γίνεται μία θεωρητική ανάλυση των εξισώσεων που διέπουν τη ροή των ρευστών. Οι εξισώσεις κίνησης αναπτύσσονται και εξηγείται πως διαμορφώνονται μετά την ανάπτυξη της τύρβης. Στο σημείο αυτό γίνεται αντιληπτό ότι δεν είναι δυνατή η επίλυσή τους με αναλυτικές μεθόδους αλλά με αριθμητικές. Αυτή είναι και η απαρχή της εισόδου των αριθμητικών μεθόδων στη μηχανική ρευστών. Στο 3ο κεφάλαιο παρατίθεται το θεωρητικό υπόβαθρο πάνω στο οποίο βασίζεται η ανάλυση των διφασικών ροών αλλά και των στροβιλωδών ροών, έννοιες που συναντώνται στα επόμενα κεφάλαια. Η θεωρητική ανάλυση ολοκληρώνεται στο 4ο κεφάλαιο με την εμβάθυνση στην αριθμητική επίλυση των εξισώσεων του 2ου κεφαλαίου. Αρχίζουμε με μία σύντομη παρουσίαση των μεθόδων που αναπτύχθηκαν τις τελευταίες δεκαετίες, επικεντρώνοντας στη μέθοδο που χρησιμοποιούμε στην παρούσα εργασία. Στη συνέχεια παρατίθενται διάφορα μοντέλα προσομοίωσης ροών επικεντρώνοντας στις διφασικές ροές. Επειδή το αντικείμενο αυτό περιλαμβάνει εκτεταμένες μαθηματικές αναλύσεις, μεταφέρθηκαν αρκετά τμήματα στο παράρτημα 1, ώστε το κυρίως κείμενο της εργασίας να παρουσιάζει ομοιογένεια και να διατηρεί την ισορροπία μεταξύ της θεωρητικής ανάλυσης και της πρακτικής – ερευνητικής προσέγγισης που αναφέρθηκε προηγουμένως. Από το 5ο κεφάλαιο ξεκινά η παρουσίαση του καθαρά ερευνητικού έργου και ακολουθείται η λογική και χρονολογική σειρά που αναλύθηκε πριν, με τα τέσσερα στάδια εξέλιξης του «προϊόντος». Σε αυτό λοιπόν το κεφάλαιο αναλύεται η ιδέα –concept- λειτουργίας και η θεωρία πάνω στην οποία βασίζεται και παρουσιάζονται σχέδια από την σχεδίασή του στο AUTOCAD. Εκτός από αυτό όμως, κρίθηκε σκόπιμο να προχωρήσουμε ένα ακόμη βήμα, με τη δόμηση του πλέγματος του πεδίου ροής του διαχωριστή. Ο λόγος είναι καθαρά τεχνικός και έγκειται στην παραπλήσια μορφή των εξής δύο εργασιών: της σχεδίασης στο AUTOCAD και της σχεδίασης της γεωμετρίας στο GAMBIT. Το πλέγμα ακολούθησε αμέσως μετά, για να μην επανερχόμαστε στη χρήση του GAMBIT στο επόμενο κεφάλαιο. Στο 6ο κεφάλαιο γίνεται η αρχική διερεύνηση λειτουργίας του διαχωριστή, με προσομοίωση της ροής με Υπολογιστική Ρευστομηχανική. Ουσιαστικά ολοκληρώνεται η φάση της μοντελοποίησης, με την επεξεργασία του πλέγματος στο FLUENT σε επίπεδο post processing αλλά και με το «στήσιμο» της προσομοίωσης. Τέλος, με το «στήσιμο» του μοντέλου, είμαστε σε θέση να διεξάγουμε την προμοίωση και να συλλέξουμε αποτελέσματα στη συνέχεια. Στην ανάλυση που γίνεται, ακολουθείται η ροή: θεωρητική τεκμηρίωση, υλοποίηση προσομοίωσης ροής και συλλογή – επεξεργασία αποτελεσμάτων. Από τα αποτελέσματα της ανάλυσης προκύπτει ότι η απόδοση αυξάνει με την ταχύτητα εισόδου του μίγματος κάτι που είναι επιστημονικά σωστό – αποδεκτό. Επιτεύχθηκε σύγκλιση της λύσης και παρήχθησαν εικόνες της ροής μέσα στο διαχωριστή που μας δίνουν μια ποιοτική αποτίμηση του πεδίου ροής. Επειδή τα εξαγόμενα της εργασίας εδώ είναι κυρίως εικόνες από το FLUENT που περιγράφουν τη ροή, αυτές παρατίθενται στο παράρτημα 2 για να διευκολυνθεί η ροή της διατριβής. Στο 7ο κεφάλαιο γίνεται η πειραματική – παραμετρική ανάλυση της λειτουργίας του διαχωριστή. Στην ανάλυση αυτή, ακολουθείται και πάλι η ροή: θεωρητική τεκμηρίωση, διεξαγωγή πειράματος και συλλογή – επεξεργασία αποτελεσμάτων. Διερευνήθηκαν οι επιδράσεις των ανεξαρτήτων παραμέτρων συνδυασμένες σαν κλάσμα όγκου αέρα, στην απόδοση του διαχωριστή. Η συσκευή παρουσίασε καλή απόδοση σε συγκεκριμένες περιοχές λειτουργίας κάτι που υποδεικνύει ότι υπάρχει δυναμική για περαιτέρω έρευνα και βελτίωση. Σε αυτό το κεφάλαιο, δίνεται ιδιαίτερη έμφαση στην περιγραφή της πειραματικής εγκατάστασης, η οποία δεν προϋπήρχε, αλλά σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε από το μηδέν για την παρούσα εργασία. Σχέδια από τη φάση της σχεδίασης της εγκατάστασης στο AUTOCAD αλλά και λεπτομέρειές της, παρουσιάζονται αναλυτικά στο παράρτημα 3 μαζί με χαρακτηριστικές εικόνες από τη λειτουργία της. Το πρώτο εξαγόμενο από το πείραμα, είναι η ανάλυση της απόδοσης της συσκευής όπως παρουσιάστηκε στο 7ο κεφάλαιο. Το δεύτερο εξαγόμενο, -εξίσου σημαντικό- είναι η πιστοποίηση της μοντελοποίησης που έγινε στο 6ο κεφάλαιο. Αυτή η διαδικασία λαμβάνει χώρα στο 8ο κεφάλαιο. Το εξαγόμενο εδώ, είναι η τυποποίηση των ρυθμίσεων της υπολογιστικής διαδικασίας με τέτοιο τρόπο, ώστε στον επόμενο κύκλο (loop) πιστοποίησης του προϊόντος να έχουμε περισσότερα και πιο αξιόπιστα αποτελέσματα από το πρώτο στάδιο. Η ακρίβεια της πρόβλεψης με το υπολογιστικό πρόγραμμα, προέκυψε από την καλή αντιστοιχία που επιτεύχθηκε μεταξύ των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης με το βέλτιστο μοντέλο, με τα πειραματικά αποτελέσματα τόσο σε σχέση με την παροχή αέρα στην έξοδο, όσο και με την απόδοση διαχωρισμού της συσκευής. Τέλος, στο 9ο κεφάλαιο κατατίθεται σύντομα –και με την εμπειρία που αποκτήθηκε- μία σειρά από δυνατότητες βελτίωσης του διαχωριστή. Είμαστε στο σημείο που αφήνουμε την ακαδημαϊκή ανάλυση του πεδίου ροής που ολοκληρώθηκε με επιτυχία και επικεντρωνόμαστε στην πιο πρακτική πτυχή, της βελτίωσης της απόδοσης της συσκευής. / The growth experienced in recent decades in the extraction of hydrocarbons, led to the adoption of increasingly modern technical products towards the phase separation near the source. The centrifugal separator is the most successful and widespread application. In this range of products, belongs the novel centrifugal separator presented in the present study. The analysis tries to balance between a "strictly scientific" analysis of the turbulent two-phase flow field in the separator and a more "practical" analysis of the performance of this device. The first is necessary because of the originality that has the particular scientific field and the lack of previous studies covering the issue; while the latter is essential because of the "practicality" we expect the final result to have. The problem that the present work is trying to solve, and the literature review that determines the direction to be followed by the research team, are presented in the 1st chapter. To tackle this problem, we follow a standard procedure of an industrial product development in four stages. In the first stage, the concept of function and the theory on which it is based are discussed. In the second stage, an initial investigation of the separator running a CFD simulation is performed. In the third step, an experimental - parametric analysis of the separator’s performance is being held. Finally, the fourth step is a confirmation - verification of CFD simulation. The 2nd chapter, is a theoretical analysis on the development of the governing equations of fluid flow. The equations of motion are developed and the transformation after the turbulence development is explained. At this point it is understood that it is not possible to solve them by analytical methods but with numerical. This is the beginning of the entry of numerical methods in fluid mechanics. The 3rd chapter, outlines the theoretical background upon which the analysis of two-phase flows and of turbulent flows is based. The theoretical analysis is completed in the 4th chapter by deepening in the numerical solution of equations of the second chapter. We begin with a brief presentation of the methods developed in recent decades, focusing on the method used in this work. Several simulation models focusing on the two-phase flow are presented here. Because this topic includes extensive mathematics, several sections were carried in Annex 1 to allow for consistency to the body of work, and maintain a balance between theoretical analysis and practice - research approach mentioned earlier. The presentation of pure research project starts in the 5th chapter, following the logical and chronological sequence that was analyzed before, with four stages in the “product development”. In this chapter, we discussed the concept of function and the theory on which it is based, and presented drawings of the design procedure in AUTOCAD. Apart from this however, it was decided to go a step further by building the grid of the flow field inside separator geometry. The reason is purely technical and is the similarity of the following two tasks: the design in AUTOCAD and geometry and mesh generation in GAMBIT. So the grid was generated in order not to revert to the use of GAMBIT in the next chapter. In the 6th chapter, we investigate the operation of the separator, by conducting an initial CFD simulation. An investigation of air-water separation process has been conducted using Υπολογιστική και Πειραματική Ανάλυση Διφασικής Ροής Αέρα – Νερού σε Φυγοκεντρικούς Διαχωριστές xi numerical simulation. Separator performance has been analyzed in terms of separation efficiency and pressure drop along the water flow path. The results of the analysis show that the performance increases with the inflow speed of the mixture which is scientifically correct - acceptable. Having achieved a converged solution and having produced images of the flow inside the separator we give a qualitative assessment of the flow field. Because the extracted work here is mostly pictures of the FLUENT describing the flow, these are listed in Annex 2 to facilitate the flow of the thesis. In the 7th chapter, the experimental - parametric analysis of the separator’s performance is conducted. New experimental data are reported, on the onsets of gas (air) and liquid (water) entrainment, mass flow rate and separation performance for the two-phase flow through the novel compact phase separator under various conditions. These data series cover the ranges of hmmhmwater/4/1303≤≤− and %90%4≤≤airvf. Influences of the independent parameters airm−0 and waterm−0 combined as air volume fraction vfair on the performance n, were considered. In this chapter, special emphasis is placed on describing the experimental setup, which did not exist, but was designed and built from scratch for this work. Designs from the design stage of the installation in AUTOCAD and its details are presented in detail in Annex 3 along with typical images of the operation. The first outcome of the experiment is the analysis of device’s performance as presented in chapter 7. The second outcome, -equally important- is the certification of modeling technique applied in chapter 6. This process takes place in the 8th chapter. The outcome, is to standardize the configuration of the computational process in such a way, that in the next development loop of the product, we have more and more reliable results than in the first stage. Finally, in chapter 9 (deposited soon after the experience gained), a series of possible improvements in the separator are presented. We leave it to the point that the academic analysis of the flow field was completed successfully and focus on more the practical aspect of improving the device’s performance.

Title: Polymer hydrogels: heterogeneous structure and deformation behavior Author: Evgeny Karpushkin Department: Department of Macromolecular Physics, Faculty of Mathematics and Physics, Charles University in Prague Supervisor: Miroslava Dušková-Smrčková Ing. Dr., Institute of Macromolecular Chemistry AS CR, Heyrovského náměstí 2, 162 06 Prague 6 Abstract: Model series of crosslinked poly(2-hydroxyethyl methacrylate) hydrogels differing in morphology were prepared by polymerization-induced phase separation. Morphology, swelling and dynamic mechanical properties in broad frequency range of the model gels were tested. The vitrification of gels was found sensitive to microstructure of polymer network and to solvent content and to polymer-solvent interaction, but not to the macroscopic morphology of the gel. The low-frequency mechanical response was found sensitive to both polymer network properties and hydrogel morphology. Lightly crosslinked hydrogels showed relatively high mechanical losses in the rubbery plateau region, due to physical association of chains. Fused-particles type hydrogels revealed a weak secondary relaxation at low frequency, ascribed to motion of the dangling particles aggregates. These aggregates, elastically inactive, along with inhomogeneous stress field arisen in porous material, were...

Ce projet vise à fabriquer une nouvelle génération de membranes polymères hydrophiles à base d’un polymère biosourcé, l’Hydroxypropyl Cellulose (HPC), pour une application dans le traitement des eaux de production. Ces membranes polymères viendront se substituer sur les plateformes offshores aux procédés classiques de traitement en raison de leur compacité, de leur légèreté et de leur aptitude à éliminer efficacement à la fois l’huile et les particules en suspension. Les membranes ont été élaborées via une méthode d’inversion de phase originale par augmentation de la température au-dessus de la température critique (LCST-TIPS process). Deux voies d’élaboration ont été étudiées au cours de la thèse selon le mode de réticulation chimique envisagé, l’une en voie acide et l’autre en voie basique. En voie acide, la réticulation a été effectuée à l’aide du Glutaraldéhyde alors qu’en voie basique, elle a été réalisée via un PEGDE. Le processus d’élaboration a été contrôlé pour maîtriser les cinétiques des phénomènes élémentaires (séparation de phase, évaporation, réticulation chimique). Les membranes ont été caractérisées via un suivi rhéologique, l’analyse de la morphologie membranaire (MEB) et les performances en filtration ont été étudiées in fine. La fabrication des membranes sous forme de fibres creuses a également été initiée aux cours de la thèse. / This project aims to develop a new generation of hydrophilic polymer membranes based on a biosourced polymer, Hydroxypropyl Cellulose (HPC), for application in the treatment of produced water. These polymeric membranes should replace on offshore platforms the conventional treatment processes because of their compactness, their lightness and their ability to effectively remove both oil and suspended particles. The membranes were developed using an original phase inversion method by increasing the temperature above the critical temperature (LCST-TIPS process). Two ways of membrane formation were investigated in this work according to the mode of chemical crosslinking considered, one in acid medium and the other in basic medium. Considering the acid route, the crosslinking was carried out using glutaraldehyde, while for the basic route it was carried out via PEGDE molecule. A fine control of the membrane formation process was conducted in order to control the kinetics of the whole elementary phenomena involved in the membrane morphogenesis (phase separation, solvent evaporation, and chemical crosslinking). The membranes were characterized via rheological monitoring, the analysis of the membrane morphology (SEM) and the filtration performances were investigated. The issue of hollow fibers fabrication has been also addressed during the thesis.

Ces travaux traitent de phénomènes diffusifs pouvant se dérouler à la surface de verres fonctionnalisés avec des couches minces de silicates lors de traitements thermiques. La gamme de température considérée s’étend de 550°C à 1050°C. Les échanges diffusifs entre le verre et l’empilement de couches minces conduisent souvent à une diminution des propriétés des couches actives. Les échanges entre un verre plat silico-sodocalcique et des couches minces de silice (pouvant être dopées alumine) se déroulent avec deux cinétiques distinctes. Une diffusion rapide des alcalins du verre vers la silice est observée dans un premier temps, conduisant ensuite à une homogénéisation plus lente entre le substrat et la couche, déclenchée par la diminution de la viscosité de la silice. Le paramètre clé contrôlant ces deux étapes est la quantité d’alumine présente dans la silice. En effet, la couche incorpore des alcalins sous forme de compensateur de charge et modificateur de réseau en quantités proportionnelles à la teneur en alumine. Plutôt que de les limiter, ces phénomènes diffusifs peuvent également être contrôlés pour obtenir par exemple de la séparation de phases dans ces géométries « couche mince ». Dans les couches de compositions SiO2-BaO-B2O3 étudiées, la morphologie après démixtion et la croissance des domaines sont pilotées d’une part par des paramètres similaires à ceux dans les verres massifs (température, composition, durée recuit, …) mais également par des énergies de surface qui deviennent non négligeables. La nucléation des phases dans ces systèmes confinés se fait alors préférentiellement en surface et l’épaisseur des couches à un impact direct sur la taille des domaines. / This work studies diffusive phenomena on glass surface functionalized with silicate thin films during thermal treatments. The temperature range extends from 550°C to 1050°C. In most cases diffusive phenomena between glass substrate and thin films stack can lead to a decrease of the properties of the active layers. Diffusive exchanges between a soda-lime flat glass and silica thin films (which can be doped with alumina), take place with two distinct kinetics. A fast migration of alkali ions from glass to silica is first observed, followed by a slow homogenization at the interface between the silica layer and the glass substrate due to the silica viscosity decrease. The key parameter which controls these two steps is the amount of aluminum in the silica layer. Indeed, the layer incorporates alkali ions in the form of charge compensator and network modifier in quantities depending linearly to the alumina content. Rather than limiting them systematically, these diffusive phenomena can also be controlled in order to obtain for example phase separation in these “thin film” geometries. For the silicate layers with SiO2-BaO-B2O3 compositions studied in this work, the morphology after phase separation and the kinetics of domains growth are influenced by similar parameters than in bulk glasses (such as temperature, composition, annealing duration, …) but also by surface energies which become non-negligible. In these confined systems, nucleation of phase separated domains occurs then preferentially at the interface with air and the thin film thickness influences directly the domains size.