Simulation du séchage des latex: des premiers principes aux formulations complexes – LatexDry

Une description réaliste du séchage des films latex n'existe pas et pourtant joue un rôle primordial dans le succès des peintures, cosmétiques et encres "hi-tech". Les propriétés finales du film, telles que son adhérence ou ses propriétés optiques et mécaniques dépendent à la fois de sa formulation mais aussi de la façon dont ses composants s'organisent et se modifient lors du séchage. Ces composants ne sont pas seulement des colloïdes et le solvant, mais aussi des additifs, surfactants, charges minérales, colorants... nécessaires à l'obtention des propriétés finales du film. Le séchage consiste alors en l'évaporation de solvant. Il fait naître des flux de matière, à la fois dans la direction perpendiculaire au film, mais aussi le long du film. Ces flux sont profondément modifiés lorsque la fraction volumique de particules solides atteint l'empilement compact et cessent finalement, donnant au film sa composition locale finale. Deux approches ont été suivies pour décrire ces phénomènes : (i) une approche empirique, consistant à déterminer par essais et erreurs la meilleure formulation et le meilleur procédé afin d'obtenir les propriétés finales souhaitées, et (ii) une approche analytique consistant à simplifier la composition du film et les écoulements en jeu afin de comprendre l'origine de certains phénomènes, mais aux dépens de son réalisme. Le but de ce projet est le développement d'un outil numérique de simulation des mécanismes à l'oeuvre lors du séchage, afin de prédire les propriétés finales du film, notamment sa composition locale en particules filmifiantes et son adhésion sur son support. Nous utiliserons pour cela une approche en automates cellulaires, nous permettant d'écrire localement les équations locales de transport de chaque composant de la suspension. Cette approche très flexible, que nous avons commencé à mettre en oeuvre pour des suspensions relativement simples, nous permettra d'une part d'introduire progressivement chacun des composants, et d'autre part de complexifier petit à petit la géométrie des écoulements. Afin de réaliser cette démarche, nous nous appuierons sur des résultats expérimentaux qui d'une part, alimenteront les hypothèses du modèle que nous développerons et d'autre part, valideront ses résultats. Ainsi, nous effectuerons des mesures précises de profilométrie optique, en particulier afin de déterminer la courbure du film proche du front qui sépare la partie de la suspension dont la fraction volumique excède l'empilement compact (phase gel), de la phase moins concentrée, liquide. Cette détermination servira d'ingrédient au modèle numérique car elle nous permettra de déterminer les pressions capillaires responsables des écoulements dans le film. Nous confronterons finalement deux des résultats de nos simulations à des observations expérimentales : (i) la distribution des particules au sein du film, mesurée par tomographie X et (ii) les forces induites par le film sur son substrat, non seulement à l'issue du séchage, mais aussi pendant qu'il a lieu, mesurées par microscopie à traction de force. Ce projet permettra donc non seulement de fournir à la communauté scientifique et industrielle un outil numérique réaliste modélisant le séchage d'un film en prenant en compte toute sa complexité à la fois en terme de composition et de phénomènes de transport. Mais la mesure du profil du film au cours du temps, apportera aussi un acquis fondamental sur l'origine des écoulements en jeu dans le séchage. En permettant, pour la première fois, une approche rationnelle de la relation entre la formulation d'une suspension et les propriétés du film qu'elle forme après séchage, ce projet aidera en particulier à la modification de la formulation de latex afin de réduire leur teneur en composés organiques volatils.