GDR MOAD au CIRM du 23 au 27 Octobre 2006'

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GDR MOAD au CIRM du 23 au 27 Octobre 2006.
Rhodia Laboratory Of the Future
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Objectifs

• Développer des outils haut débit pour augmenter
  le productivité dans le domaine de la recherche.
• Thématiques du laboratoire acquisition de
  données physico-chimique, procédé et le génie
  chimique.
• Créer une équipe multi disciplinaire
• Académie et industrie,
• Domaines scientifiques physique, chimie,
  procédé, math.
• Technologies microfluidique,robotique,électroniqu
  e, micro analyse.

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Stratégies pour augmenter la productivité
Miniaturiser beaucoup déchantillons
Approche continue
Echantillon
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Plateforme Robotique
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Jet printing set up
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Microfluidique
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Plan

• Microfluidique.
• Ecoulement de deux fluides non miscibles.
• Manipulation de gouttes et de jets.
• Applications Un rhéomètre sur une puce.
• Mesures des constantes cinétiques
• dune réaction chimique.

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Microfluidique
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Microfluidique
Whitesides

• Matières premières

Silicium
Polymère
Verre
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Méthode de fabrication de micro canaux
Réalisation du moule
Lithographie douce
Canaux 10 à 500 microns
Impression du polymère
Support en verre
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Méthodes de pompage
Haute tension
-

Pousse seringue
E
P
Canal dactuation
Membrane
Canal fluidique
Pompe
Vanne intégrée
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Quelques caractéristiques

• La taille des canaux 10 à 100 microns de côté,
  quelques cm ou dizaine de cm de long .
• Les débits du mlitre/heure au millilitre/
  minute.
• Vitesse du mm/s a 10 cm/s
• Un rapport surface/ Volume qui devient important.
  

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Quelques caractéristiques
10-6lt Re lt100 5 10-4lt Pe lt105 10-6ltCalt10
-2 10-9ltBolt10-1
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Quelques caractéristiques
10-6lt Re lt100 Forces visqueusesgtForces
dinertie 5 10-4lt Pe lt105 Convectiongtdiffusion 1
0-6ltCalt10-2 Tension de surfacegt contrainte
visqueuse 10-9ltBolt10-1 Tension de
surfacegtgravité
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Des écoulements particuliers

• Ecoulements laminaires.
• Pas de mélange.
• Des écoulements pilotés par la tension de
  surface.
• Des écoulements pilotés par le mouillage.
• Caractéristiques fondamentales pour les
  écoulements diphasiques.

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• Ecoulement de deux fluides non miscibles.
• Géométrie cylindrique centrée.
• Géométrie à section rectangulaire.

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Une zoologie de formes découlements
S. Anna H. A. Stone (2003)
Gouttes
T. Thorsen S. R. Quake (2001)
Ecoulement parallèles
T. Maruyama (2004)
A. M. Gañán-Calvo (2001)
Poire
B. Zheng (2004)
R. Dreyfus (2004)
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Géométrie cylindrique
P.Guillot, A.Colin, A.Ajdari, D.Weitz.
Q interne
Q externe
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Diagramme de phase en géométrie circulaire
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Gouttes,Bouchons, ou Jets
Eau glycerol 50 cP Huile de silicone 235 cP
g24 mN/m Rayon 275 µm
Jets
gouttes
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Effet des paramètres de contrôle

• Effet du rayon externe du capillaire
• Ra270 mm,
• Rb475 mm
• Effet de la tension interfaciale
• gc24mN/m.
• gd0.12 mN/m.

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• Instabilité type Rayleigh-Plateau
• Compétition entre le confinement, la vitesse du
  jet et le gain dénergie à faire des gouttes.
• Simulations Sandra Tancogne

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Géométrie de section carrée
?
Cas étudié
Huile
PDMS
Eau
verre
h
e
h
e
h
e
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Sur une spirale
5 mètres !
Qwater1600 µL/hr
Qwater800 µL/hr
Qwater1500 µL/hr
Qoil350 µL/hr
Qoil350 µL/hr
Qoil350 µL/hr
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Diagramme découlement
Goutte dans le canal (GC)
Goutte à la Jonction (GJ)
Écoulement stratifié (ES)
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Géométrie de section carré décentrée
P Guillot, A Colin
Mise en écoulement 3D fortement influencée par
le mouillage
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Effet des paramètres expérimentaux
GJ
GC
GJ
GC
ES
ES
En augmentant la viscosité de la phase
continue - Accroissement de la zone de
lécoulement stratifié - Diminution de la zone
des gouttes dans le canal
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Effet de la géométrie
GC
GJ
GC
GJ
ES
ES
PDMS
verre
En augmentant le rapport largeur/hauteur -
Accroissement de la zone de lécoulement
stratifié - Diminution de la zone des gouttes
dans le canal
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Effet du mouillage
Huile fluorée
Canaux traités par un Silane fluoré
Huile silicone
Huile fluorée
Huile silicone
Canaux non traités
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• On retrouve les résultats de la géométrie
  circulaire.
• Complexité induite par le mouillage.
• Problème de modélisation.
• Introduire des longueurs de glissement?
• Des dynamiques dangle de contact
• Déplacement de la ligne triple.

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Point de fonctionnement

• Gouttes fort débit externe , faible débit
  interne
• Forte tension de surface, faible viscosité
  interne, géométrie circulaire ou carrée.
• Jets faible débit externe, fort débit interne
• Faible tension de surface, forte viscosité
  externe
• Géométrie de type fente (Rayleigh Plateau
  nexiste pas à 2D!).

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• Manipulations de gouttes et de jet.

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Comment un train de gouttes se sépare à une
jonction ?
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3 régimes différents
Fragmentation
répartition
Filtration
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Dispositif expérimental
2 variables Volume V and distance l
Dilution ou concentration
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Une Transition .
Régime de filtre (dilué) Répartition des gouttes
(concentré)
Paramètres importants qQw/Qo RL2/L1
qc
dilution
Transition
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Un train de gouttes dans un canal.
l
rc
Taille des gouttes
L
Chaque goutte ajoute au canal une perte de charge
équivalent dun excès de longueur lg
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• Conservation des débits.
• Une loi caractéristique pour la perte de charge.
• Avec un paramètre ajustable que lon mesure
• Un critère à la main les gouttes vont du coté ou
  le débit est le plus fort . En régime
  stationnaire égalité des deux débits totaux.

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(No Transcript)
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La Réalité est plus complexe !!
Petites gouttes subissent des collisions ce qui
favorise le régime de répartition
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Management dun jet
W Engl,K Okata, P.Guillot, A.Colin, P
Panizza PR.L. 96, (134505),2006
A une bifurcation
splitting
filter
Q1/Q2
L2/L1
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• 2 applications
• Un rhéomètre sur une puce
• Mesure des constantes cinétiques dune réaction
  chimique

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Microfluidic Rheometer
y
y
x
e
0
x
z
sxy?P y, débit surfacique Q
Contrainte se/2 ?P e/2 Taux de cisaillement
?e/22Q/e(2dln(2Q/e)/dln(se/2)) Visco
sité h(?e/2)se/2/?e/2
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Micro-rheometer
P Guillot, M.joanicot, A Colin, CH Bruneau,
T.Colin Langmuir 22 (14) 6445, 2006
Qe Newtonian known fluid
Unknown fluid Qh
Rhodia / CNRS patent
Continuous measurement
?P
e
I
L
Mixing step (AB)
A
B
? Rheological measurement of four formulations
with 1.2 mL of fluid
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Micro-rheo-visio-meter
Lamellar phase - Brij 30
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Mesure de cinétique de réaction chimique
K2S2082KI I22KSO4
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(No Transcript)
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Conclusions

• Des écoulements a bas nombre de Reynolds
• Complexes
• Besoin de simulations numériques 3D
• Des applications