Titre de l'écran-titre (visionné le 14 août 2023) / Le grand rapport surface/volume et la morphologie spéciale des nanofibres leur confèrent d'excellentes propriétés mécaniques, une capacité de transfert de chaleur et des caractéristiques électriques. Bien qu'il existe diverses techniques de fabrication conventionnelles pour produire des nanofibres, celles-ci souffrent généralement de plusieurs inconvénients, tels que de faibles taux de production, des restrictions sur les matériaux, des complexités de processus et des coûts de production élevés limitant la production de masse de nanofibres. La demande croissante de nanofibres, d'autre part, motive les efforts pour éliminer ces barrières, car ces matériaux trouvent de plus en plus d'applications dans les secteurs de l'énergie et de la santé, par exemple pour produire des nano-filtres à air et à eau, des capteurs, des batteries et des masques chirurgicaux de protection. La technique de filage centrifuge (CS) a récemment permis la fabrication de nanofibres, avec beaucoup moins de limitations. Dans le procédé CS, une solution / fusion de polymère est placée dans un réservoir à rotation rapide (également appelé lière) avec plusieurs buses, extrudant le polymère en fibres incurvées très fines et longues (ou jets incurvés) sous la force centrifuge ; ces jets fortement courbés se prolongent alors dans l'espace jusqu'à atterrir sur des collecteurs placés à l'écart du centre de rotation. En conséquence, de grands volumes de fibres polymères avec des diamètres moyens de quelques centaines de nanomètres sont produits. Le procédé CS est une technique alternative très prometteuse pour produire des nanofibres. Cependant, la compréhension, l'amélioration et l'optimisation du processus CS ont été limitées, principalement en raison de la présence de nombreux paramètres affectant la dynamique d'écoulement complexe du jet courbe, par exemple les forces de rotation (centrifuge et de Coriolis), inertielles, visqueuses, rhéofluifidiantes, élastiques, de tension superficielle et gravitationnelles, ainsi que les effets de diffusion de masse, de diffusion thermique, d'aérodynamique et de rapport de viscosité. Pour avoir un compréhension fondamental du processus CS, dans ce thèse de doctorat, nous considérons mathématiquement et expérimentalement les effets des paramètres susmentionnés sur la dynamique du jet courbe. Pour généraliser nos résultats, nous les présentons en termes de nombres adimensionals, y compris les nombres de Rossby (Rb), de Reynolds (Re), de Weber (We), de Froude (Fr), de Weissenberg ( Wi), de Péclet de polymère (Pe), de Péclet l'air (Pe*), et de Reynolds de l'air (Re*), ainsi que l'indice de loi de puissance (m), le rapport de viscosité (δₛ) et la position radiale du collecteur (R). Dans le Chapitre 1, nous développons un modèle général régularisé de fibres minces (string) pour prédire les effets des forces centrifuges, de Coriolis, d'inertie, visqueuses, de fluidification par cisaillement, de tension superficielle et gravitationnelles sur la trajectoire en régime permanent et l'amincissement du rayon de la fibre. Nous montrons que pour de grandes vitesses de rotation (petit Rb), le rayon de la fibre diminue rapidement sur de petites longueurs d'arc, ce qui devient plus prononcé lorsque Re et We augmentent ou que m diminue. En fin, nous constatons que la force gravitationnelle (quantifiée via Fr) n'affecte l'angle vertical de la fibre qu'aux petites longueurs d'arc. Dans le Chapitre 2, motivés par nos observations expérimentales, nous développons un modèle mathématique complet pour la formation de nanofibres dans le processus CS, mais pour les fluides newtoniens. Par rapport au chapitre précédent, notre modèle inclut des paramètres supplémentaires, tels que la diffusion de masse dans le jet, la diffusion de masse dans l'air et les effets aérodynamiques. Nos résultats, y compris la comparaison avec les expériences, révèlent que les effets aérodynamiques doivent être pris en compte pour permettre une prédiction correcte de la trajectoire et du rayon du jet. Augmenter Re*, Re et R conduit à un jet plus long. La diminution de We force le jet à s'enrouler plus étroitement autour de la filière, mais cela montre des effets insignifiants sur l'évaporation du solvant. Les changements de Pe et Pe* n'affectent pas de manière significative la trajectoire du jet. Dans le Chapitre 3, nous étendons notre travail pour développer un modèle mathématique intégré supérieur, qui peut également tenir compte de la dynamique transitoire de la fibre. Notre modèle nous permet d'analyser les paramètres d'écoulement critiques couvrant une large gamme, en incorporant les équations de moment cinétique, le modèle constitutif viscoélastique de Giesekus, les effets de traînée air-fibre et l'équation d'énergie dans les équations du modèle. En utilisant le modèle, nous pouvons analyser le comportement dynamique des jets de polymère fondu/solution. Nous constatons que la rhéologie non linéaire affecte remarquablement la trajectoire, le rayon et les contraintes normales des fibres. L'augmentation de Wi conduit à une fibre plus épaisse, tandis que l'augmentation de δₛ montre une tendance opposée. De plus, en augmentant Wi, la courbure de la fibre est améliorée, amenant la fibre à se rapprocher du centre de rotation. Le Chapitre 4 combine en outre expériences et modélisation. Dans nos expériences, nous obtenons les données expérimentales à l'aide d'une combinaison unique d'outils : ceux-ci incluent notre dispositif CS interne, des caractérisations de rhéométrie et des tests au microscope électronique à balayage. Nos expériences sont couplées et apportent des validations à un puissant modèle mathématique, développé sur la base des équations constitutives viscoélastiques du modèle de Maxwell convecté supérieur. Cela nous permet d'examiner le processus CS en fonction des paramètres qui sont généralement importants dans les expériences à l'échelle du laboratoire, notamment la concentration en polymère, la vitesse de rotation, le diamètre de la buse, le rayon de la filière et l'angle de la buse.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LAVAL/oai:corpus.ulaval.ca:20.500.11794/123223 |
| Date | 11 April 2024 |
| Creators | Noroozi, Sooran |
| Contributors | Taghavi, Seyed Mohammad, Darvishi Alamdari, Houshang |
| Source Sets | Université Laval |
| Language | French |
| Detected Language | French |
| Type | COAR1_1::Texte::Thèse::Thèse de doctorat |
| Format | 1 ressource en ligne (xxxii, 220 pages), application/pdf |
| Rights | http://purl.org/coar/access_right/c_abf2 |
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