Les chercheurs du groupe RMP s’intéressent aux phénomènes de transport (liquides et fluides, humidité, chaleur, ondes acoustiques) et comment ceux-ci sont affectés par les contraintes géométriques présentes dans les milieux poreux, par ex. les empilements de fibres, les mousses solides à porosité ouverte ou fermée, les matériaux biosourcés, …

Swelling of a (compressed) cellulose fibre stack after drop deposition.

Propriétés hygrothermiques des matériaux biosourcés

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NMR relaxometry applied to a drying wood sample

Relaxométrie RMN pour les milieux poreux

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Close-up of an open-cell solid foam

Perméabilité et Acoustique de Mousses Solides

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Foam coarsening under flow through a granular (porous) medium.

Mousses liquides en milieux poreux

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Propriétés hygrothermiques des matériaux biosourcés

Philippe Coussot, R. Sidi-Boulenouar, B. Maillet, Kang Hu (Postdoc), Yuliang Zou (Postdoc), Nicolas Daunais (PhD), Van-Truong Nguyen (PhD), Luoyi Yan (PhD), Karen Mourda (PhD), Olfa Hbaieb (PhD), Yousra Ait-Chekh (PhD)
Collaborations : L. Brochard (ME), S. Marceau (CPDM)
Comment l’eau pénètre-t-elle dans le bois et le fait gonfler ? Pourquoi se sent-on plus à l’aise dans des vêtements en coton, en lin ou en chanvre ? Pourquoi est-il si long de sécher du bois ou du papier ? Pourquoi est-il plus sain de vivre dans une maison faite de murs biosourcés ? A l’origine de ces phénomènes on trouve la remarquable capacité de ces matériaux à absorber l’eau liquide ou la vapeur de l’environnement grâce à des liaisons hydrogène, et ainsi former des inclusions d’eau à l’échelle nanométrique entre les microfibrilles de cellulose. Cette eau dite « liée » peut  représenter jusqu’à 30 % de la masse sèche du matériau ; elle s’évapore dans un air ambiant sec, régulant ainsi l’humidité ambiante ; et elle induit le gonflement ou le retrait de ces matériaux à peu près proportionnellement à sa quantité. Une autre propriété remarquable de cette eau liée est qu’elle peut diffuser assez rapidement à l’intérieur des fibres de cellulose. Le transport de l’eau liée et ses échanges avec les phases liquide et vapeur (standard) conduisent à des propriétés de transport de l’eau complexes et originales dans les matériaux cellulosiques ou les fibres végétales. Par exemple, l’imbibition spontanée de l’eau dans le bois n’est pas régie par des effets capillaires mais par une diffusion d’eau liée en avant du front liquide, ce qui ralentit la dynamique de plusieurs ordres de grandeur dans le temps. De son côté, le séchage du bois est contrôlé par la diffusion de l’eau liée qui extrait l’eau libre en profondeur dans l’échantillon, conduisant là encore à un processus de diffusion (lent) en deux étapes. L’observation et la quantification de ces phénomènes nécessitent des techniques ou des approches spécifiques, la RMN et l’IRM étant particulièrement utiles car elles permettent de détecter les quantités moléculaires d’eau à l’intérieur des solides, et de distinguer l’eau dans ses différentes phases. Nos approches nous ont permis de déterminer le coefficient de transport et de diffusion de l’eau liée dans une pièce de bois, dans un réseau de fibres (l’eau liée sautant d’une fibre à l’autre au contact de celle-ci), et même le long d’une seule fibre cellulosique. Ces travaux vont notamment se poursuivre dans le cadre de l’ERC Advanced Grant PHYSBIOMAT, qui a pour objectif de prédire le comportement hygrothermique des matériaux de construction biosourcés. Ceci s’appuiera sur des caractérisations des processus de transport élémentaires, sur des matériaux modèles et des matériaux réels, ainsi qu’une modélisation détaillée des couplages entre transferts de chaleur et d’humidité. Les premiers travaux publiés dans ce cadre montrent comment on doit envisager les mesures de dynamique de sorption de façon contrôlée, et comment il est possible de déterminer séparément les coefficients de diffusion de la vapeur et de l’eau liée dans une structure à base de fibres de cellulose, puis d’en déduire un modèle de transport global, tenant compte des échanges entre les deux phases.

Séchage dynamique d’une pâte de cellulose sous flux d’air. Le contenu en eau est mesuré par IRM. Figure tirée de Ben Abdelouahab, Cellulose 28, 28, 5321–5334, (2021)

Profils 1d du séchage d’une pâte de cellulose sous flux d’air vertical. On note que le séchage s’effectue (comme observé à gauche) en deux temps. Tirés de Ben Abdelouahab, Cellulose 28, 28, 5321–5334, (2021)

Références

Relaxométrie RMN pour les milieux poreux

R. Sidi-Boulenouar, B. Maillet, P. Coussot

Les milieux poreux sont omniprésents dans notre vie quotidienne : sols, bois, briques, béton, éponges, textiles, etc. Il est crucial de pouvoir identifier comment un liquide, éventuellement transportant des particules ou des ions, peut pénétrer dans le milieu poreux ou en être extrait. La microtomographie à rayons X à haute résolution, l’imagerie neutronique ou l’imagerie par résonance magnétique ne fournissent en général pas d’informations quantitatives à l’échelle des micro- ou nano-pores. Au fil du temps nous avons développé une approche originale qui fournit diverses informations directes et quantitatives sur la distribution du liquide à l’intérieur de la structure poreuse et ses variations dans le temps associées à des transports de fluides et/ou des changements de phase. Cette technique, que nous avons appelé relaxométrie dynamique par RMN s’appuie sur des mesures successives de la densité de probabilité du temps de relaxation RMN, obtenue par transformée de Laplace du signal RMN durant sa relaxation. Nous analysons alors les évolutions au cours du temps de cette densité de probabilité, en nous appuyant sur l’évolution de la largeur des pics, de leur position, ou encore des fractions de fluide associées à chaque pic. Nous avons ainsi pu analyser et décrire en détails les mécanismes physiques (hétérogénéités  spatiales, couche moléculaire adsorbée, mouillage ou démouillage, transferts eau libre-eau liée, etc) régissant l’imbibition et le séchage dans des milieux nanoporeux, dans la cellulose, dans des milieux bi-poreux, ou encore dans le bois.

Relaxométrie RMN: plus l’eau est confinée (ici, quand elle passe d’une grande sphère à une plus petite sphère ou un anneau), plus son temps caractéristique de relaxation T2 devient court. La distribution des temps de relaxation T2 reflète donc la quantité d’eau présente à chaque « taille » de confinement dans un matériau donné.

Références

Perméabilité et Acoustique de Mousses Solides

O. Pitois, V. Langlois, Y. Khidas

Nous étudions comment la morphologie des mousses, c’est-à-dire leur distribution de taille de pores, la fraction de membranes ouvertes et la distribution des tailles des ouvertures dans les membranes, affecte les propriétés acoustiques et leur performance pour des applications dans le secteur du bâtiment (isolation phonique, contrôle de la réverbération). Notre but est d’apporter une vision exhaustive des relations entre la microstructure de la mousse et ses propriétés acoustiques. La fraction de membranes ouvertes et la distribution de taille des ouvertures est mesurée par microscopie optique et microtomographie X. Les mesures acoustiques sont effectuées dans des tubes d’impédance (tubes de Kundt) avec trois microphones. Nos méthodes numériques utilisent une approche indirecte pour modéliser les propriétés acoustiques de ces milieux. Cette approche est basée sur des modèles semi-phénoménologiques qui découplent les mécanismes en jeu  (dissipation visqueuse, conduction thermique, vibrations mécaniques du milieu) dans la propagation des ondes dans ces milieux poreux. Ce modèle — Johnson-Champoux-Allard-Lafarge, JCAL — considère une matrice solide rigide, et relie le comportement acoustique du milieu à des propriétés visco-thermales (perméabilité visqueuse, tortuosité, longueur caractéristique visqueuse, perméabilité thermique et longueur caractéristique thermique).

Notre travail consiste à:

  1. Calculer tous ces paramètres en utilisant des méthodes numériques (éléments finis, ou modèle pore-réseau pour le perméabilité visqueuse et la tortuosité appliquées à différentes microstructures numériques.
  2. Produire des modèles physiques permettant de décrire ces propriétés visco-thermales.

Références

Mousses liquides en milieux poreux

O. Pitois, V. Langlois, Y. Khidas

L’injection de mousse dans des milieux poreux a été étudiée pour l’industrie pétrolière et récemment pour des procédés de dépollution des sols afin d’éliminer les contaminants. L’effet recherché porte sur la rhéologie complexe de la mousse liquide, qui lui permet d’envahir le milieu de façon plus homogène qu’un liquide simple, surtout si la perméabilité du milieu est relativement importante. Pour les applications de dépollution/remédiation il est aussi important de connaitre la vitesse à laquelle de liquide de la mousse va circuler dans l’ensemble formé par le milieu poreux rempli de mousse liquide. Nous nous sommes intéressés à cette question à partir d’une expérience modèle permettant de contrôler la taille des pores, celle des bulles, la fraction volumique de liquide, ainsi que le comportement des interfaces (mobile/immobile en fonction du tensioactif choisi). La perméabilité au liquide des échantillons, adimensionnée par le carré de la taille des bulles, décroit sur plusieurs ordres de grandeurs à mesure que le rapport r, formé entre la taille des bulles et celle des grains du milieu, augmente. La perméabilité relative (celle du milieu poreux rempli de mousse sur celle du milieu poreux rempli de liquide) mesurée pour les mousses à interfaces immobiles présente une valeur optimale en fonction de r, alors qu’elle augmente de manière significative pour les mousses à interfaces mobiles. Ainsi, le rapport des perméabilités relatives mobile/immobile révèle deux régimes en fonction de r : pour r≲ 0,25, le rapport de perméabilité est égal au rapport mesuré pour les mousses en volume (non confinées), tandis que pour des valeurs de r plus importantes, le rapport de perméabilité est augmenté d’un ordre de grandeur. Ce  résultat semble relié au changement de microstructure qui s’opère lorsque le rapport r augmente jusqu’à 0,5 : en effet un réseau liquide différent de celui de la mousse non-confinée s’active,  composé de canaux de surface et de ponts liquides, les premiers reliant les seconds même en cas de faibles fractions en liquide. Nous avons proposé une modélisation de ces changements. Le  résultat principal est que la mousse se trouvant dans les pores est relativement « asséchée » par rapport à la mousse nonconfinée, du fait de la mobilisation du liquide dans les canaux de  surface et dans les ponts liquides. Ceci explique au premier ordre la forte réduction mesurée pour la perméabilité au liquide de la mousse. Au-delà du drainage du liquide, on s’attend à ce que toutes les propriétés de la mousse confinée s’en trouvent impactées

Références