Si l’eau d’une rivière coule sous l’influence d’une petite pente, une goutte de pluie millimétrique s’accroche généralement à son substrat. Cette thèse considère les problèmes engendrés par cette adhésion liquide-solide à l’aune de l’application culinaire. Nous nous intéressons aux surfaces superhydrophobes dont la chimie et la rugosité rendent ces solides non-adhérents. Par ailleurs, le comportement de ces matériaux en température rend compte de différents domaines d’adhésion. Ces surfaces voient leur adhésion augmenter avec la température lorsque la vapeur se recondense au sein des textures du solide. Mais, à mesure que la température s’élève, des bulles de vapeur se forment et réduisent l’adhésion, jusqu’à l’annuler lorsque le liquide lévite sur un coussin continu de vapeur. Nous décrivons cet état, dit de caléfaction, et notamment l’origine de la température critique pour laquelle ce phénomène apparaît. La superhydrophobie permet de réduire considérablement cette température, dite de Leidenfrost, et de rendre accessible la caléfaction pour des températures typiques de cuisson. Enfin, nous comparons ces résultats aux stratégies de non-adhésion culinaire : à savoir les revêtements hydrophobes et l’utilisation d’huile. Des surfaces mixtes piégeant une fine couche d’huile dans des textures hydrophobes sont ainsi discutées. / Water flows inside a river due to extremely low slopes whereas a millimetric raindrop generally sticks on its substrate. This thesis investigates problematics induced by liquid-solid adhesion as regards the cooking device application. We study superhydrophobic substrate whose both chemistry and roughness promote anti-adhesion. We describe the anti-adhesive behaviour in temperature. First, because of condensation through the porous media, the adhesion rises with temperature before vapour bubbles nucleate below the drop. Then, the production of vapour generates a lack of contact. Thus, adhesion decreases until the liquid levitates on its own vapour. We describe this phenomenon known as the Leidenfrost effect. We especially discuss the critical Leidenfrost temperature and its origin. Superhydrophobic coatings promote Leidenfrost effect at remarkably low temperature close to cooking typical one. Finally, those results are compared to two strategies used in cooking: hydrophobic anti-adhesive coatings and lubrication by oil. Some lubricant-infused substrates are investigated.

L'opération de précipitation oxalique du plutonium dans les usines de retraitement du combustible nucléaire est délicate à mettre en œuvre en raison de la nature collante du précipité. Dans l'idée de pallier ce problème gênant vis à vis d'une production industrielle, le Laboratoire de génie chimique et d'instrumentation du CEA Marcoule propose de réaliser cette opération en colonne pulsée à garnissage. Le précipité est alors confiné à l'intérieur des gouttes de l'émulsion et suffisamment loin des surfaces de l'appareil.Cependant si les surfaces en contact son en acier inoxydable, l'appareil s'encrasse invariablement. La thèse s'insère alors dans une démarche de compréhension fine de ces mécanismes d'encrassement. Bien que les travaux réalisés balayent l'ensemble du problème posé, la thèse est essentiellement centrée sur l'analyse du rebond des gouttes de l'émulsion avec les parois de l'appareil. Les résultats acquis permettent d'enrichir la base de données de la littérature dans une configuration peu usitée tout en ciblant les paramètres clés de ce type d'interaction. Les résultats montrent qu'utiliser en première approche, une colonne pulsée non optimisée et conçue intégralement en acier inox ne peut convenir pour réaliser l'opération de précipitation de radionucléides. Cette précipitation peut cependant être menée en s'orientant vers une technologie différente et brevetée à l'issue de cette thèse. Ce dernier point doit cependant être nuancé car l'exploration à des débits industriels de production n'est pas encore acquise. D'un autre coté, cela peut constituer un enjeu intéressant de génie des procédés.

L'interaction entre des lignes de contact et un écoulement hydrodynamique intervient dans de nombreuses situations industrielles ou fondamentales. Nous étudions la dynamique de gouttes ruisselantes, tout d'abord le long de leur axe de symétrie (Partie I) puis à trois dimensions (Partie II) en mesurant la distribution d'angle de contact autour de cette goutte par réfraction d'une nappe laser et le champ de vitesse à la surface. Nous montrons que la situation est localement à deux dimensions, dans la direction perpendiculaire à la ligne de contact. L'angle de contact ne dépend que de la vitesse de la ligne de contact mesurée perpendiculairement à elle-même, vitesse qui coïncide avec la vitesse locale du liquide, dont la composante tangentielle s'annule à la ligne de contact. Dans le cas de lignes singulières (en coin), ou deux normales coexistent en un point, nous montrons que le champ de vitesse est autosimilaire à l'approche de ce point, Nous abordons également (Partie III) la question des lignes de contact statiques dans un écoulement à travers l'étude de la stabilité et de la forme de zones sèches dans un film liquide en écoulement. Nous montrons en particulier l'influence du mouillage sur ces objets et nous mesurons l'angle de contact tout autour de ces zones sèches. Nous montrons que la distribution d'angle de contact est, suivant l'histoire de la zone sèche, uniforme et bloquée à l'angle d'avancée (ce qui permet de construire des modèles simples) ou au contraire relativement désordonnée, Enfin nous mettons en évidence un phénomène encore non reconnu de stick-slip de la ligne de contact lorsqu'une goutte de suspension colloïdale en cours de séchage avance (interaction entre dépôt et hydrodynamique).

Reproduction de : Thèse de doctorat : Génie des procédés et de l'environnement : Toulouse, INPT : 2005. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 90 réf.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Chimie et physico-chimie des polymères : Le Mans : 2001. / Thèse : 2001LEMA1012. Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p.191-196.

Th. doct.-ing.--Toulouse, I.N.P., 1980. N°: 82.

L'opération de précipitation oxalique du plutonium dans les usines de retraitement du combustible nucléaire est délicate à mettre en œuvre en raison de la nature collante du précipité. Dans l'idée de pallier ce problème gênant vis à vis d'une production industrielle, le Laboratoire de génie chimique et d'instrumentation du CEA Marcoule propose de réaliser cette opération en colonne pulsée à garnissage. Le précipité est alors confiné à l’intérieur des gouttes de l’émulsion et suffisamment loin des surfaces de l'appareil.Cependant si les surfaces en contact son en acier inoxydable, l'appareil s'encrasse invariablement. La thèse s'insère alors dans une démarche de compréhension fine de ces mécanismes d'encrassement. Bien que les travaux réalisés balayent l'ensemble du problème posé, la thèse est essentiellement centrée sur l’analyse du rebond des gouttes de l’émulsion avec les parois de l'appareil. Les résultats acquis permettent d’enrichir la base de données de la littérature dans une configuration peu usitée tout en ciblant les paramètres clés de ce type d'interaction. Les résultats montrent qu'utiliser en première approche, une colonne pulsée non optimisée et conçue intégralement en acier inox ne peut convenir pour réaliser l'opération de précipitation de radionucléides. Cette précipitation peut cependant être menée en s'orientant vers une technologie différente et brevetée à l'issue de cette thèse. Ce dernier point doit cependant être nuancé car l'exploration à des débits industriels de production n'est pas encore acquise. D'un autre coté, cela peut constituer un enjeu intéressant de génie des procédés. / The process dedicated to the oxalic precipitation of plutonium is very sensitive to the high sticking behavior of the produced precipitates. Therefore, the laboratory of génie chimique et instrumentation based in Marcoule in France puts forward the idea of carrying out the process in a pulsed column. In this way, the precipitates is confined inside in the droplets of the emulsion, far from the surfaces of the apparatus. Nevertheless if those surfaces are made of stainless steal the fouling of the column is inevitably observed. The thesis also introduces the concept and tools dedicated to a fine understanding of the fouling issue. Though the work carried out scans the whole issue, the thesis mainly focuses on drop bouncing. the results provide experimental data in a low-studied configuration and target the key parameters driving th bounce. The application of the these results point out that using an unoptimized stainless steal pulsed column for the precipitation of radionucleides does not prevent from the fouling. The process could still be carried out using another technology patented during the PhD. This last poitn needs more investigations. Especially, the CEA has work on the scale-up steps to design an apparatus wich could be able to porcess industrial flow rates. Bsides ths might be an interessing issue in process engineering.

Avec une population toujours croissante et la pénurie de plus en plus importante des ressources en eau douce, l’humanité s’est tournée vers les océans pour ses besoins en eau potable. Afin de faire face aux limites des procédés conventionnels de dessalement d’eau de mer, la distillation membranaire (DM) connaît un intérêt croissant. Même si l’intérêt envers la DM pour le dessalement d’eau de mer est apparu au cours des dernières décennies, aujourd’hui le risque de mouillage des membranes est l’un des obstacles majeurs à son développement industriel. Dans le cadre du projet ANR « WETMEM», l’objectif de cette thèse est de développer des outils de compréhension des mécanismes de mouillage en distillation membranaire sous vide. Plusieurs membranes, fabriquées par des partenaires du projet WETMEM, et commerciales ont été étudiées afin de comprendre l’influence des propriétés des membranes sur les indicateurs de mouillabilité. De plus, une définition et une classification des mécanismes de mouillage ont été proposées. Par la suite, deux indicateurs de mouillage ont été développés à l'aide de la microscopie électronique à balayage et de la spectroscopie de dispersion de rayons X selon une méthode appelée « Détection d'intrusion de traceur dissous ». Une preuve de concept a été fournie, dans laquelle différents mécanismes de mouillage ont pu être visualisés et interprétés. Ces indicateurs ex situ ont alors été utilisés avec des indicateurs de mouillabilité (Angle de contact, Pression d’intrusion de liquide) afin de comprendre l’influence de la température (35-50 ° C), de la salinité (22-310 g / L de NaCl sol.) et du débit (400 - 4000 Re) sur le mouillage et la mouillabilité d'une membrane de PVDF en distillation membranaire sous vide. Il a alors été constaté que la salinité a l’impact le plus important sur le mouillage par rapport aux autres paramètres de fonctionnement. En outre, un outil optique in-situ non invasif a été développé. Il permet de visualiser le mouillage in-situ en distillation membranaire. La progression du mouillage in situ a été observée à différentes échelles et pour différentes solutions salines et eaux de mer. / With an ever-increasing population and the growing disparity in potable water resource, humanity has turned its attention to the oceans for its potable water needs. To overcome the current limitations in current desalination technologies, membrane distillation (MD) is actively being developed. The interest of MD for seawater desalination was established in the last decades but today the risk of membrane wetting is one of the major barrier for industrial implementation of MD. Under the framework of the ANR project “WETMEM”, the issue of this thesis was to develop tools for better understanding wetting mechanisms in vacuum membrane distillation. Several fabricated (WETMEM partners) and commercial membranes were studied to understand the influences of membrane properties on wettability. Therefore, a definition and classification on wetting were formulated. After that two wetting indicators were developed using scanning electron microscopy and X-ray dispersion spectroscopy under a method called “Detection of Dissolved Tracer Intrusion”. A proof of concept was provided with various wetting mechanisms visualized and interpreted. These ex-situ indicators were used with wettability tools (Contact Angle, Liquid Entry Pressure) to understand the influence of temperature (35-50°C), salinity (22-310 g/L NaCl sol.) and flow rate (400 – 4000 Re) on wetting and wettability of a PVDF membrane under vacuum membrane distillation. Indeed, it was found that salinity has a greater impact on wetting than the other operating parameters. Additionally, a proof of concept was provided for non-invasive in-situ optical method for visualizing wetting in membrane distillation. Progression of in-situ wetting visualization was validated at different scales for various saline solutions and seawaters.

The dynamics wetting of fiber is of crucial importance in the fields, such as composites, optical fiber or textile industries. It is therefore valuable to acquire a clear understanding of the fundamental physical mechanisms which govern this phenomenon. In the case of partial wetting, it is assumed that the loss of energy due to the change in shape of the liquid-fluid interface (surface tension) is balanced by two channels of dissipation. One is associated with the viscosity of the liquid (hydrodynamics), whereas the other is due to the friction between the liquid and the solid (molecular-kinetic theory). Translated into equations, this original approach leads to the conclusion that the friction regime should precede the hydrodynamic one for a low viscosity liquid. The crossover time between the two regimes is calculated and shown to be material dependent. To validate these theoretical predictions, both experiments and large scale molecular dynamics simulations of the spontaneous spreading of a liquid along a fiber are run. The experiments consist in capturing images of meniscus formation around the fiber via a high speed camera. For each image, the liquid-air profile is extracted and fitted to a solution of the Laplace equation yielding the contact angle and the height of the meniscus as a function of the time. For low viscosity liquid it is found that the measured dynamic contact angle follows the friction regime, whereas for higher viscosity liquid the viscous regime is recovered as presented theoretically. The same kind of procedure is followed to study the wetting of a nanofiber by molecular dynamics. The properties of the liquid are first assessed (viscosity, shape of the molecule, molecular volume). Because of the very low viscosity of the model liquid, it is expected that the friction between the liquid and the solid is the dominant channel. Indeed, the data from the simulation validates this assumption. Moreover, according to the results of the simulation, it is also confirmed that for a given equilibrium contact angle, a maximum of speed wetting occurs. Actually, a low (or high) equilibrium contact angle involves both a strong (or weak) driving force and adhesion of the liquid molecules to the solid atoms. These opposite effects do not simply cancel out and therefore lead to the existence of a maximum rate at which a liquid can wet a solid. To examine in detail this last statement, the forced wetting of fiber is studied by molecular dynamics. The fiber, at a constant velocity, goes through the meniscus of a liquid which is consequently elongated. Stationary receding and advancing contact angles are then measured as a function of the fiber velocity. It is found that the contact angle dependence on the fiber velocity follows the molecular-kinetic theory, thereby confirming the existence of a maximum. Moreover, a comparison between the values of the microscopic parameters obtained via the adjustement of the theory and a direct measurement of these parameters permits us to check the validity of the chosen theory as well as the reliability of the simulation tool. Finally in order to study the wetting of fibrous materials like fabrics, an effective system is studied via molecular dynamics. It is shown that the measurements of capillary imbibition and droplet spreading are well modelled by a set of equations taking into account the conservation of the volume of the liquid, the influence of a dynamic contact angle inside the pore and the spreading on top of the surface. This single pore geometry is extended theoretically to the case of multiple non-interconnected pores. The time required to absorb the droplet completely is then calculated.

Les surfaces de polymères électro-stimulables font partie de la catégorie des surfacesintelligentes. Elles sont capables de modifier leurs propriétés lorsqu’elles sont stimulées par unchamp électrique. Au cours de cette thèse nous avons fabriqué des surfaces de chaines depolyélectrolytes faibles greffées (PAA, P2VP, PDMAEMA), soit par auto-assemblage, soit partransfert via la balance de Langmuir. Nous avons ensuite étudié l’organisation des chaines depolyélectrolytes à la surface en fonction des conditions de pH et de sel de la sous-phase dans labalance de Langmuir. Avant de stimuler ces chaines de polyélectrolytes greffées à l’aide d’unchamp électrique, nous avons étudié leur sensibilité à la variation de pH et à la variation de laconcentration en sel. Pour cela des mesures d’épaisseurs de films de polyélectrolytes et desmesures d’angle de contact ont été effectuées. Ces études préliminaires nous ont permis desélectionner des valeurs de densité de greffage des chaines de polyélectrolytes ainsi que le pH etla concentration en sel de la solution adaptés pour la stimulation des surfaces par un champélectrique. Nous avons alors montré que les chaines greffées de PAA et de PDMAEMA étaienttrès sensibles à la variation de la tension électrique lorsque le pH est proche du pKa ou du pKb dela surface : pour une charge de la surface identique aux charges des chaines de polyélectrolytes,ces dernières vont adopter une conformation de brosse tandis qu’elles seront collapsées lorsque lacharge de la surface est de signe opposé aux charges des chaines. Cette transition réversible deschaines en fonction de la valeur de la tension appliquée permet de contrôler les propriétés demouillage et d’adhésion de ces surfaces. En revanche, pour un pH proche du pKb, les chainesgreffées de P2VP sont peu sensibles à l’application d’un champ électrique. Nous avons supposéque cela était dû à une variation de pH local au sein des chaines lorsque le champ électrique estappliqué. / Electro-responsive polymer surfaces are able to change their properties when they are stimulatedby an electric field. In this work, we grafted weak polyelectrolyte on surfaces by self-assembly orby transferring the molecules using the Langmuir-Schaefer method. First we studied theorganization of the polyelectrolyte chains at the surface for different pH and salt concentration ofthe subphase used in the Langmuir trough. Then we explored the response of the surfaces to pHand salt concentration changes by measuring the thickness variation of the polyelectrolyte filmsand the changes in contact angle. These preliminary studies allowed us to select the graftingdensity of polyelectrolyte chains and the pH and salt concentrations of the aqueous solutionadapted for the stimulation of the surfaces by an electric field. We then demonstrated that PAAand PDMAEMA grafted chains were very sensitive to the variation of the applied voltage whenthe pH is close to the pKa or from the pKb of the surface. If the charge of the surface has the samesign as the charges on the polyelectrolyte chains, the latter would adopt a brush conformation,whereas if the charge of the surface has the opposite sign compared to the sign of the charges onthe polyelectrolyte chains, the chains would collapse. This reversible transition of the chainsconformation with the sign of the applied voltage allowed us to control the wetting and theadhesion properties of these surfaces. Nevertheless, for a pH close to the pKb, the P2VP graftedchains are almost unresponsive to the application of an electric field. We supposed that this is theconsequence of a local pH variation inside the grafted chains when the electric field is applied.