Ecole Doctorale

SCIENCES POUR L'INGENIEUR : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique

Spécialité

Sciences pour l'ingénieur : spécialité Mécanique et Physique des Fluides

Etablissement

Aix-Marseille Université

Mots Clés

Microfluidique,Régimes d'écoulement,Mouillage,Microcapsules en polyurée,Polymérisation interfaciale,Absorbance UV,

Keywords

Microfluidics,Flow regimes,Wetting,Polyurea microcapsules,Interfacial polymerisation,UV absorbance,

Titre de thèse

Elaboration de microcapsules en polyurée calibrées en taille et en épaisseur de peau par un procédé microfluidique pour l’absorption des ultraviolets
Preparation of polyurea microcapsules calibrated in size and shell thickness by a microfluidic process for the absorption of ultraviolet

Date

Mardi 16 Mars 2021 à 10:00

Adresse

38 rue Joliot-Curie, 13451, Marseille Salle de réunion de M2P2

Jury

Directeur de these Mme Pierrette GUICHARDON ECOLE CENTRALE DE MARSEILLE
CoDirecteur de these M. Nelson IBASETA ECOLE CENTRALE DE MARSEILLE
Rapporteur M. Marc LEONETTI Laboratoire Rhéologie et Procédés, UMR 5520, CNRS
Rapporteur Mme Nathalie LE SAUZE Université Toulouse III
Examinateur M. Christophe Alexandre SERRA Université de Strasbourg
Examinateur M. Stéphane VEESLER CINAM, UMR 7325, CNRS

Résumé de la thèse

Le but de cette thèse consiste à exploiter, pour la production de microcapsules en polyurée, les avantages que présente la microfluidique. Grâce à sa capacité à produire des gouttes avec une distribution de taille très étroite, l’émulsification microfluidique présente un grand intérêt comme étape préalable à la polymérisation interfaciale rapide. Bien que la littérature sur la production de gouttes dans des microcanaux soit abondante, les solvants organiques couramment utilisés se limitent à certaines huiles d'hydrocarbures toxiques ou à des cétones, car ces solvants sont très hydrophobes et donc faciles à émulsionner dans l’eau. La première partie du travail s’intéresse à la faisabilité d'émulsifier dans l’eau deux solvants verts moins hydrophobes (adipate de dibutyle et acétate de n-butyle) au sein d’ un microcanal de verre hydrophile de type flow focusing et d'y étudier les différents régimes d’écoulement. Les résultats montrent que le mouillage des parois par l'adipate de dibutyle peut être modifié par l'ajout d'un tensioactif (Tween 80). Néanmoins, la formation des gouttes étant beaucoup plus rapide que le transfert du tensioactif vers l’interface de la goutte en cours de formation, des concentrations bien supérieures à la concentration micellaire critique sont nécessaires pour éviter le mouillage des parois par la phase dispersée et donc l’apparition de régimes désordonnés. Le comportement du système acétate de n-butyle/eau est similaire, mais la comparaison des cartes d’écoulement pour les deux systèmes soulève la question du choix des nombres adimensionnels pour la représentation de la transition entre les régimes de dripping et de jetting. Dans la deuxième partie, l’ajout d’une réaction de polymérisation interfaciale au sein de l’émulsion formée par microfluidique est étudié en détails. Nous visons à élaborer des microcapsules en polyurée calibrées en taille et en épaisseur de peau contenant du salicylate d'octyle (OS). Ces microcapsules sont utilisées pour étudier, pour la première fois, l’influence de l’épaisseur de la peau des microcapsules sur leur efficacité d’absorption vis à vis des ultraviolets (UV). Les résultats montrent qu’une augmentation de la concentration de l’isocyanate (HDB-LV ou hexamethylene diisocyanate biuret) dans la phase organique augmente l’épaisseur de la peau des microcapsules, leur taux d’encapsulation et très modérément leur absorbance moyenne. L’absorbance moyenne des microcapsules augmente aussi lorsque la taille des microcapsules diminue (pour une même masse d’OS). Un modèle théorique est proposé afin d’estimer l’absorbance en fonction de la fraction massique de HDB-LV dans la phase organique et de la taille des microcapsules. Enfin, la concentration de l’amine (éthylènediamine) a été optimisée afin d’assurer la forme sphérique des microcapsules.

Thesis resume

This thesis aims to exploit the advantages of microfluidics for the production of polyurea microcapsules. Because of its ability to produce drops with a very narrow size distribution, microfluidic emulsification shows great interest as the first step for rapid interfacial polymerisation. Although the literature on the production of drops in microchannels is abundant, commonly used organic solvents are limited to certain toxic hydrocarbon oils or ketones, as these solvents are very hydrophobic and therefore easy to emulsify in water. The first part of the work concentrates on the feasibility of emulsifying two less hydrophobic green solvents (dibutyl adipate and n-butyl acetate) in water and study the different flow regimes within a hydrophilic flow-focusing microchannel of glass. The results show that the wetting of the walls by dibutyl adipate can be modified by adding a surfactant (Tween 80). However, the formation of the drops being much faster than the transfer of the surfactant to the interface of the drop being formed, concentrations much higher than the critical micellar concentration are necessary to avoid wetting of the walls by the dispersed phase and thus the appearance of disordered flow regimes. The behavior of the n-butyl acetate/water system is similar, but the comparison of the flow maps for the two systems raises the question of the choice of dimensional numbers for representing the transition between the dripping and jetting regimes. In the second part, the addition of an interfacial polymerisation within the emulsion formed by microfluidics is studied in detail. We aim to fabricate polyurea microcapsules calibrated in size and shell thickness containing octyl salicylate (OS). These microcapsules are used to study, for the first time, the influence of the shell thickness of microcapsules on their absorption efficiency against ultraviolet (UV) light. The results show that an increase of the concentration of isocyanate (HDB-LV or hexamethylene diisocyanate biuret) in the organic phase increases the shell thickness of the microcapsules, their encapsulation efficiency and very moderately their average absorbance. The average absorbance of the microcapsules is also inversely proportional to the size of the microcapsules (for the same mass of OS). A theoretical model is proposed to estimate the average absorbance as a function of the mass fraction of HDB-LV in the organic phase and of the size of microcapsules. Finally, the concentration of amine (ethylenediamine) has been optimized to ensure the spherical shape of the microcapsules.