Bubble growth in a confined polymer under temperature changes - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

Bubble growth in a confined polymer under temperature changes

Croissance de bulles dans un polymère confiné induite par changement de température

Résumé

In this work, we investigate the dissolution or growth of bubbles in polymeric systems driven by means of temperature variations. In this regard, laminated safety glass serves as an inspiration. The latter is a multi-layered assembly reminiscent of a sandwich and includes a thin, hygroscopic, polymeric film (typically, polyvinyl butyral-PVB) positioned in between two layers of float glass. The assembly, guarantees that, if broken, glass shards remain bonded to the polymeric interlayer. As a result, it improves resistance to breaking and entering, but also protects individuals from life-threatening projectiles during a car collision and is thus widely used in the façade of buildings or in the windshields of cars However, it is common to observe bubbles in laminated glass. These bubbles, which are anathema to the beautiful appearance of glas, can occur during production, quality testing at high temperatures or during normal operation and are typically associated with air oversaturation. During the thesis, an experimental transparent setup was developed to reproduce one of the main steps involved in the production of safety glass at the laboratory scale, i.e., autoclaving at high temperatures (140°C) and pressures. The setup allows tracking the dissolution or growth of interfacial gases (gas pockets) or bubbles in glass/PVB/glass samples (or in otherwise transparent samples) when subjected to variations in temperature or pressure. We identify that air and water vapour follow distinct thermodynamic paths in terms of solubility with increasing temperature. As a result, water vapor leads to bubble growth while air favours dissolution. For the specific case of water, we dive deeper into the polymer chemistry and its relationship to mass transport properties. Contrary to the simple thermodynamic picture, the observed kinetic behaviour of gas pockets/bubbles is highly non-monotonous and is strongly influenced by the rheology of the interlayer. For the latter part, a high-temperature mechanical characterization is provided that identifies this polymer as a Maxwell fluid at long timescales, contrary to the widely held assumption of a Maxwell solid. Time-temperature superposition constants, as well polymer characteristic times that delineate the glassy, rubbery, and melt states are further provided. Additional blends of the base PVB polymer were investigated in terms of rheology and bubbling behaviour. A non-isothermal kinetic bubble model is then proposed for standard PVB addressing the nature of the two gases, the finiteness of the system, as well as the complex viscoelastic behaviour of the polymeric interlayer. The comparison between the model and experiments highlights the following points.. First, bubble growth is impacted by initial bubble size, maximum temperature, as well as initial bubble composition, and amount of dissolved gas in the polymer. Then, the gases, by virtue of their shared flexible enclosing volume, can potentially affect each other’s chemical equilibrium, thereby forcing mass flows in opposition to their solubility preference. Moreover, in finished glass assemblies, either gas, depending on initial nuclei size, presence of pollutions (fibres or dust), or initial oversaturation, can lead to bubble formation at high temperatures.
Nous avons exploré la cinétique de dissolution ou croissance de bulles dans des systèmes polymères induite par variation de température en utilisant le verre feuilleté comme système modèle. Ce dernier est un assemblage multicouche comprenant un film polymère mince et hygroscopique (typiquement, du polyvinyl-butyral ou PVB) pris en « sandwich » entre deux couches de verre flotté. Ce matériau composite garantit qu'en cas de bris, les éclats de verre restent collés à la feuille de polymère intermédiaire. Ainsi, le verre feuilleté améliore la résistance à l'effraction. Par ailleurs, lors d'une collision automobile, il protège également les individus contre des projectiles de verre potentiellement mortels. Il est donc très utilisé en construction ou dans les pare-brise des voitures. Cependant, il est courant d’observer des bulles dans cet assemblage. Ces dernières qui nuisent à la transparence du matériau, peuvent apparaître au cours des procédés de production, des tests de qualité haute température ou d’une utilisation normale. Elles sont généralement associées à une sursaturation en air. Dans cette thèse, nous avons développé un dispositif expérimental transparent pour reproduire - à l'échelle du laboratoire - l'une des principales étapes de production du verre de sécurité, à savoir l'autoclavage à haute température (140°C). Ce montage permet de suivre la dissolution et la croissance de poches de gaz ou bulles présentes au sein d’échantillons constitués de verre/PVB/verre lorsqu'ils sont soumis à des variations de température ou de pression. Nous avons identifié que les solubilités de l'air et de la vapeur d'eau varient différemment avec la température : lorsque la température augmente, la solubilité de l’eau décroit entrainant la croissance des bulles tandis que celle de l'air favorise la dissolution car sa solubilité augmente. Dans le cas spécifique de l'eau, nous avons détaillé le lien entre structure chimique du polymère et propriétés de transport de masse. Pourtant, la cinétique de croissance des poches de gaz ou bulles est plus complexe que ce que suggère cette analyse thermodynamique simple. Elle peut être non monotone et fortement influencée par la rhéologie de la couche polymère. L’étude rhéologique du PVB à haute température révèle que celui-ci se comporte à temps longs comme un fluide de Maxwell et non comme un solide de Maxwell contrairement à une hypothèse largement répandue de la littérature. Les constantes temps-température, ainsi que les temps caractéristiques du polymère dans ses états vitreux, caoutchoutique ou fondu sont également donnés. La rhéologie et capacité à former des bulles de formulations polymériques autres que celle du polymère PVB standard a également été étudiée. Fort de ces éléments, nous proposons un modèle caractérisant la cinétique de croissance de bulles non isothermes dans du PVB standard. Ce modèle tient compte de la nature des deux gaz, de la taille finie du système ainsi que du comportement viscoélastique complexe de la couche intermédiaire polymère. La comparaison entre modèle et expérience met en exergue les points suivants. Tout d’abord, la croissance des bulles est influencée par les taille et composition initiales des bulles, la température maximale atteinte et la quantité de gaz dissous dans le polymère. Dans certains cas, nous observons des flux de masse contraires à ceux prédits par les variations de solubilité. Ces déplacement d’équilibres chimiques sont induits par le confinement des deux espèces dans une même bulle dont le volume fini est susceptible de varier à cause de l’élasticité du polymère. Ensuite, dans les assemblages de verre finis, l’un ou l’autre des gaz peut conduire à la formation de bulles à haute température selon la taille initiale des nucleus, la présence de pollutions (fibres ou poussières), ou la sursaturation initiale.
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PhD_Carlos Arauz Moreno.pdf (144.65 Mo) Télécharger le fichier
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)

Dates et versions

tel-03774926 , version 1 (12-09-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03774926 , version 1

Citer

Carlos Arauz Moreno. Bubble growth in a confined polymer under temperature changes. Soft Condensed Matter [cond-mat.soft]. Université Grenoble Alpes, 2021. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-03774926⟩

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