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Étude du comportement des gouttelettes d’eau impactant des surfaces micro-structurées

Bouazara Bassem. (2022). Étude du comportement des gouttelettes d’eau impactant des surfaces micro-structurées. Mémoire de maîtrise, Université du Québec à Chicoutimi.

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Résumé

Ce sujet de mémoire sera intitulé ainsi : étude de l’impact de gouttelette d’eau sur des surfaces micro-structurées. Cette étude consiste à fabriquer différents modèles de surfaces micro-structurées en utilisant des substrats à base de polymère et de métal (le Kapton et l’aluminium). Cette différence entre ces modèles est définie par la variation de la distance entre les trous (S) 100-300 μm avec un pas de 25 μm, ainsi que les diamètres de ces trous (?1=75 μm et ?2=100 μm). Une approche mécanique est adoptée pour créer la texture de la surface grâce à une machine à commande numérique. Dans cette phase de travail, des surfaces avec deux diamètres différents ont été créées, il paraît que les surfaces à base d’aluminium portent moins de résidus par rapport à celles à base de kapton. Une réplication des motifs est faite grâce au moulage par compression en utilisant une machine de compression. Le Polydiméthylsiloxane (PDMS) est utilisé comme matériau de base pour réaliser les micro-structures. En fait, cette réplication des textures permet d’étudier et d’observer le comportement dynamique des gouttelettes d’eau sur les différents motifs des surfaces créées. En raison des résidus attachés sur la surface de Kapton, les surfaces de PDMS à base d’aluminium se sont bien répliquées par rapport à celles à base de kapton. La mesure de l’angle de contact ainsi que l’hystérésis de l’angle de contact confirment que les surfaces de PDMS à base d’aluminium, ayant un diamètre de 75 μm, sont des surfaces superhydrophobes pour les deux volumes de gouttelette d’eau (10 et 20 μl). La variation de la vitesse d’impact, le diamètre de la gouttelette ainsi que la géométrie de la micro-structure (la hauteur (h), le diamètre et l’espacement centre à centre du pilier) de la surface de la gouttelette d’eau et leurs impacts sur le comportement de gouttelette d’eau ont été étudiées. Cet impact est enregistré par une caméra à haute vitesse qui est connectée à un ordinateur. D’une part, le rebondissement complet pourrait être présent dans le cas des micro-structures régulières de d= 75 μm, h= 90 μm et S= 125-150 μm pour le volume de gouttelette de l’eau à 10 μl. Ce comportement est présent lorsque We < 20, Re < 1230 ainsi que le paramètre d’épandage maximal (β) < 4, il existe également un rebondissement complet au même (d) et (h) avec S= 175 μm lorsqu’on utilise le volume de 20 μl. D’autre part, le rebondissement partiel s’observe pour la quasi-totalité des micro-structures ayant un diamètre de 100 μm où We < 150 et Re < 4500. De plus, l’éclaboussure rapide et la récession de rupture se remarquent où la cinétique est élevée (We > 150) pour les deux volumes de gouttelettes d’eau. L’apparition du rebondissement est diminuée lorsque la cinétique de la chute de la gouttelette augmente (la vitesse de l’impact), la géométrie de la surface ou le volume de la gouttelette d’eau augmentent. Ce travail nous a permis de mettre en évidence les micro-structures les plus appropriées pour avoir des surfaces superhydrophobes avec des comportements de rebondissement. De plus, l’effet des conditions des gouttelettes d’eau (taille, vitesse d’impact etc.) sur le comportement de ces surfaces sont examiné. Il convient de noter qu’en utilisant une méthode industriellement applicable pour produire ces surfaces (usinage CNC), cette étude pourrait ouvrir de nouvelles voies dans la fabrication des surfaces hydrophobes et/ou superhydrophobes à l’échelle industrielle.

This study consists of manufacturing different models of micro-structured surfaces using polymer and metal substrates (Kapton and aluminum). This difference between these models is defined by the variation of the distance between the holes (S) 100-300μm with increment of 25 μm, as well as the diameters of these holes (????1=75 μm et ????2=100 μm). A mechanical approach was used to create the texture of the surface using a numerically controlled machine. In this phase of work, surfaces with two different diameters have been created. It seems that the surfaces based on aluminum carry less residues compared to those based on kapton. A replication of the patterns is done through compression molding using a compression machine. The Polydiméthylsiloxane (PDMS) was used as the basic material for the micro-structures. In fact, this replication of the textures allows us to study and observe the dynamic behaviour of water droplets on the different patterns of the created surfaces. Due to the residues attached on the surface, it seems that the aluminum-based PDMS surfaces are well replicated compared to the kapton-based ones. The contact angle measurement as well as the contact angle hysteresis confirm that the aluminum based PDMS surfaces with a diameter of 75 μm are superhydrophobic surfaces for both water droplet volumes (10 and 20 μl). The variation in impact velocity, droplet diameter as well as the microstructure geometry (the height (h), diameter and center-to-center spacing of the pillar) of the water droplet surface have been studied. The impact of these different parameters on droplet behavior was also studied. This impact is recorded by a high-speed camera connected to a computer. On the one hand, complete rebound could be present in the case of regular micro-structures of d= 75 μm, h= 90 μm and S= 125-150 μm for the water droplet volume at 10 μl. This behavior is present when We < 20, Re < 1230 as well as the maximum spreading parameter (β) < 4, a complete rebound also exists at the same (d) and (h) with S= 175 μm when using the 20 μl volume. On the other hand, partial rebound is observed for almost all micro-structures with a diameter of 100 μm where We < 150 and Re < 4500. Furthermore, rapid splash and breakup recession are noticed in the case of high kinetics (high impact velocity) values (We >150) for both volumes of water. The likelihood of the bouncing is decreased when the droplet falls kinetics increased (the impact speed), the geometry of the surface or the volume of the water droplet have been increased.

Type de document:Thèse ou mémoire de l'UQAC (Mémoire de maîtrise)
Date:2022
Lieu de publication:Chicoutimi
Programme d'étude:Maîtrise en ingénierie
Nombre de pages:107
ISBN:Non spécifié
Sujets:Sciences naturelles et génie > Génie > Génie des matériaux et génie métallurgique
Sciences naturelles et génie > Génie > Génie mécanique
Sciences naturelles et génie > Génie > Génie physique
Département, module, service et unité de recherche:Départements et modules > Département des sciences appliquées > Programmes d'études de cycles supérieurs en ingénierie
Directeur(s), Co-directeur(s) et responsable(s):Momen, Gelareh
Jafari, Reza
Mots-clés:CNC, gouttelette, micro-structure, mouillabilité, rebondissement et caméra à haute vitesse, réplication, kapton, PDMS, comportement, CNC (machine à commande numérique)
Déposé le:31 mai 2022 08:11
Dernière modification:07 juin 2022 20:14
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