Dissertations / Theses on the topic 'Thermo-rheology'

Phenylethynyl terminated imides (PETI) are high temperature, high performance matrix resins that can be processed into composites by various methods including resin transfer molding (RTM) arid vacuum assisted resin transfer molding (VARTM). PETI resins have experienced extremely rapid development in recent years, with major emphasis placed on engineering applications that take advantage of their high cured TgS,high thermooxidative stability, high strength to weight ratio, outstanding mechanical properties, and compatibility with RTM and VARTM processing. In recent years the addition of nanoparticles to resin systems has been shown to further enhance the mechanical properties and thermooxidative stability. In this study, we incorporated nanoporous aluminosilicate materials, otherwise known as zeolites, into PETI resin GRC-A, and investigated the effect the zeolites have on the viscosity, cure kinetics, thermooxidative stability and other thermomechanical properties of GRC-A. Rheological and differential scanning calorimetry studies conducted on the GRC-Alzeolite mixtures showed that zeolite L acts like a filler and retards the curing of the phenylethynyl end-groups, while zeolite Y catalyzes the curing process. Additionally, cure kinetic studies via melt rheology and DSC confirmed that the activation energies for GRC-A/zeolite Y mixtures as lower than for neat GRC-A and GRC-A/zeolite L mixtures, further supporting zeolite L acts as a filler while zeolite Y serves as a catalyst during the cure process. While the cured Tgs, from the DMA and TMA studies showed that in spite of the catalytic properties of zeolite Y; it did not afford additional properties over GRC-A and zeolite L mixtures. However, the catalytic properties of zeolite Y allows PETI resins to be cured at a lower temperatures, which could lead to lower energy costs in the production of composite parts from PETI resins.

Le contrôle de la viscosité des lubrifiants moteur est un enjeu clé dans la réduction de la consommation en carburant des moteurs thermiques. Une nouvelle approche basée sur l’utilisation de polymères thermo-associatifs a été développée pour diminuer la perte de viscosité naturelle des lubrifiants avec la température. Pour ce faire, des polymères complémentaires de faibles masses molaires (pour l’application moteur visée) qui peuvent s’associer réversiblement via la réaction d’échange diol-ester boronique lorsque la température augmente ont été conçus et synthétisés. Les faibles masses molaires des polymères et le caractère dynamique de la liaison ester boronique permettent de diminuer la sensibilité de ces systèmes aux forts cisaillements présents dans le moteur, en limitant notamment la rhéofluidification de ces lubrifiants. L’association des polymères est provoquée par l’augmentation d’accessibilité des fonctions portées par les polymères avec la température. L’association réversible des polymères thermo-associatifs a été mise en évidence dans les huiles apolaires par l’augmentation de la viscosité relative des solutions avec la température sur plusieurs cycles de chauffage-refroidissement. Une partie de l’étude a été consacrée à l’amélioration de la stabilité thermique des polymères dans le but de maintenir les bonnes propriétés lubrifiantes des formulations jusqu’à 150°C. Un grand nombre de polymères de natures, de tailles et d’architectures différentes ont été synthétisés. L’étude rhéologique en écoulement de ces polymères seuls et en formulations thermo-associatives a permis de mettre en évidence l’importance de ces différents leviers pour faire varier et contrôler les propriétés des solutions en fonction de la température
Controlling the viscosity of engine lubricants is a key issue to reduce the fuel consumption of engines. A new approach based on the use of thermo-associative polymers has been developed in order to compensate the natural loss of viscosity of lubricants when the temperature increases. To this aim, complementary low molecular weight polymers (for engine targeted application) that can reversibly associate with temperature through the diol-boronic ester exchange reaction have been designed and synthesized. The low molecular weights of the polymers and the dynamic behavior of the boronic ester bond decrease the high shear sensitivity of the system and so limits the shear-thinning behavior of the lubricant. The increase of polymeric function availability as the temperature rises induces polymer association. The reversibility of the thermo-associative association of polymers in non polar oil is seen over several cycles of warming-cooling with the increase of the relative viscosity of the solutions with increasing temperature. Part of the study was also dedicated to the improvement of polymers’ thermal stability in order to maintain the good lubricant properties of the thermo-associative formulations up to 150°C. Many polymers of different natures, sizes and topologies have been synthesized. The flow behavior of these polymers in both individual state in solution or in thermo-associative formulations was studied by rheology, thus enabling to determine the impact of these levers on the solutions properties as a function of temperature

Le contrôle de la viscosité des lubrifiants moteur est un enjeu clé dans la réduction de la consommation en carburant des moteurs thermiques. Une nouvelle approche basée sur l’utilisation de polymères thermo-associatifs a été développée pour diminuer la perte de viscosité naturelle des lubrifiants avec la température. Pour ce faire, des polymères complémentaires de faibles masses molaires (pour l’application moteur visée) qui peuvent s’associer réversiblement via la réaction d’échange diol-ester boronique lorsque la température augmente ont été conçus et synthétisés. Les faibles masses molaires des polymères et le caractère dynamique de la liaison ester boronique permettent de diminuer la sensibilité de ces systèmes aux forts cisaillements présents dans le moteur, en limitant notamment la rhéofluidification de ces lubrifiants. L’association des polymères est provoquée par l’augmentation d’accessibilité des fonctions portées par les polymères avec la température. L’association réversible des polymères thermo-associatifs a été mise en évidence dans les huiles apolaires par l’augmentation de la viscosité relative des solutions avec la température sur plusieurs cycles de chauffage-refroidissement. Une partie de l’étude a été consacrée à l’amélioration de la stabilité thermique des polymères dans le but de maintenir les bonnes propriétés lubrifiantes des formulations jusqu’à 150°C. Un grand nombre de polymères de natures, de tailles et d’architectures différentes ont été synthétisés. L’étude rhéologique en écoulement de ces polymères seuls et en formulations thermo-associatives a permis de mettre en évidence l’importance de ces différents leviers pour faire varier et contrôler les propriétés des solutions en fonction de la température
Controlling the viscosity of engine lubricants is a key issue to reduce the fuel consumption of engines. A new approach based on the use of thermo-associative polymers has been developed in order to compensate the natural loss of viscosity of lubricants when the temperature increases. To this aim, complementary low molecular weight polymers (for engine targeted application) that can reversibly associate with temperature through the diol-boronic ester exchange reaction have been designed and synthesized. The low molecular weights of the polymers and the dynamic behavior of the boronic ester bond decrease the high shear sensitivity of the system and so limits the shear-thinning behavior of the lubricant. The increase of polymeric function availability as the temperature rises induces polymer association. The reversibility of the thermo-associative association of polymers in non polar oil is seen over several cycles of warming-cooling with the increase of the relative viscosity of the solutions with increasing temperature. Part of the study was also dedicated to the improvement of polymers’ thermal stability in order to maintain the good lubricant properties of the thermo-associative formulations up to 150°C. Many polymers of different natures, sizes and topologies have been synthesized. The flow behavior of these polymers in both individual state in solution or in thermo-associative formulations was studied by rheology, thus enabling to determine the impact of these levers on the solutions properties as a function of temperature

Le besoin en traitement des eaux usées par la société est assurée en usine d’épuration par des traitements menant à la production de boues. Afin d’anticiper l’augmentation de ce besoin à l’avenir, les filières de traitement de ces boues doivent atteindre une certaine efficacité, en termes de traitement et de valorisation des boues. Parmi ces filières, le procédé de méthanisation permet de réduire significativement le volume des boues générées et permet par la suite une valorisation agronomique et énergétique, sous forme de digestat, de biogaz, d’électricité ou de chaleur. Il est néanmoins limité par un contrôle inefficace du transport des boues digérées en son sein, du fait de la méconnaissance de la thermo-rhéologie, en termes de connaissances et de méthodes de caractérisation et en termes d’hydrodynamique en conduite de ces boues très diverses. Cela se manifeste opérationnellement, en aval de la phase de dimensionnement et de conception, lors de l’opération par des pompages inefficaces, des hétérogénéités de la matrice ou des colmatages de composants.C’est dans cette optique d’apport des éléments scientifiques, de la caractérisation thermo-rhéologique des boues digérées d’une part et de la mise en évidence de l’hydrodynamique en conduite de ces fluides d’autre part, que le travail de recherche mené dans le cadre de cette thèse s’inscrit.Premièrement, des protocoles dédiés à caractériser spécifiquement chaque comportement non-newtonien sont établis pour cela. L’application de ces protocoles, au centre de recherche Energie Environnement de l’IMT Nord Europe et sur la plateforme Caractérisation du partenaire industriel, montre que les caractéristiques thermo-rhéologiques des boues digérées sont fidèlement modélisées par un modèle d’Herschel-Bulkley non modifié. En effet, la contrainte seuil et la rhéofluidification sont significativement pré-pondérantes devant les autres caractéristiques thermo-rhéologiques de thixotropie, de visco-élasticité et de thermo-dépendance. Le phénomène physique non anticipé de glissement aux parois est observé sur ces boues digérées, menant à une hydrodynamique hétérogène de l’écoulement en conduite de faible inertie et de faible rugosité des parois.Deuxièmement, un dispositif expérimental dédié à l’étude de l’écoulement en conduite de tels fluides est mis en place en vue de déterminer leurs comportements hydrodynamiques. Il permet de démontrer, à l’aide de fluides de travail (solution s de Carbopol), que ces fluides suivent une transition rhéo-inertielles (RIT) vers la turbulence. Cette transition se distingue par l’existence d’un régime de pré-transition, inexistant pour un fluide newtonien, au sein duquel l’écoulement présente une asymétrie, qui est observée par visualisation directe. Ces visualisations, couplées à la mesure des pertes de charges, permettent de quantifier l’intermittence de la RIT à partir des structures turbulents visualisées. Cela permet de contrôler le mouvement de tels fluides par la connaissance de la stabilisation de leurs écoulements et de l’augmentation du temps de séjour des structures turbulentes, du fait des caractéristiques non-newtoniennes (sans visco-élasticité).Ainsi, ce manuscrit synthétise les éléments scientifiques développés dans le cadre de cette thèse pour répondre aux problématiques opérationnelles rencontrées. Les verrous découlant du mande de connaissances fondamentales de la thermo-rhéologie et de l’hydrodynamique des boues qui y circule, l’étude axe sa recherche sur ces deux domaines pour apporter les fondamentaux qui pourront permettre l’amélioration de la maîtrise du transport des boues au sein du procédé de méthanisation en usine d’épuration
The society’s wastewater treatment needs are met by waste water treatment plants that produce sludges. In order to anticipate the increase in this requirement in the future, the sludge treatment processes must achieve a certain level of efficiency in terms of sludge treatment and recovery. The anaerobic digestion process significantly reduces the volume of sludge generated and can the be used for agricultural and energy purposes, in the form of digestate, biogas, electricity or heat. It is nevertheless limited by ineffective control of the transport of digested sludge within it, due to a lack of knowledge of thermo-rheology, in terms of understanding and characterisation methods, and of the hydrodynamics involved in handling these very diverse sludges. This manifests itself operationally, downstream of the sizing and design phase, in inefficient pumping, matrix heterogeneity or component clogging.It is in this context of providing scientific elements, on the one hand of the therm-rheological characerisation of digested sludge and on the other hand of the demonstration of the hydrodynamics of these fluids in operation, that the research work carried out within the framework of this thesis falls within the scope of.Firstly, protocols dedicated to the specific characterisation of each non-Newtonian behaviour have been established. The application of these protocols, at the ITM Nord Europe – Energy Environment research centre and on the industrial partner’s Characterisation plateform, shows that the thermo-rheological characteristics of digested sludge are accurately modelled by a non-modified Herschel-Bulkley model. Yield stress and shear-thinning are significantly more important than the other thermo-rheological characteristics of thixotropy, viscoelasticity and thermo-dependence. The unanticipated physical phenomon of wall slip is observed in these digested sludges, leading to heterogeneous flow hydrodynamics under conditions of low inertia and loaw wall roughness.Secondly, an experimental set-up dedicated to studying the flow of such fluids in pipe is being set up, with a visualisation to determining their hydrodynamic behaviour. Using working fluids (Carbopol solutions), it was demonstrated that these fluids undergo a rheo-inertial transition (RIT) towards turbulence. This transition is characterised by the existence of a pre-transition regime, non-existent for a Newtonian fluid, within which the flow exibits an asymmetry, which is observed by direct visualisation. These visualisations, coupled with the measurement of pressure drops, also make it possible to quantify the intermittency of the RIT on the basis of the turbulent structures visualised. This makes it possible to control the movement of such fluids through knowledge of the stabilisation of their flows and the increase in the residence time of turbulent structures, due to the non-Newtonian characteristics without viscoelasticity.Thus, this thesis manuscipt summarises the scientific elements developed within the framework of this thesis to respond to the problems of the operational obstacles encountered. As these problems stem from a lack of fundamental knowledge of the thermo-rheology and hydrodynamics of the sludge that flows through it, the study focuses its research on these two areas in order to provide the fundamentals that will make it possible to improve the control of sludge transport within the anaerobic digestion process in wastewater treatment plants

Les matériaux composites constitués de résines cyanates esters et plus particulièrement les résines phénoliques triazines PT15 et PT30 ont été sélectionnés pour remplacer des pièces structurales métalliques aéronautiques sollicitées à des températures de 200 à 300°C. Ces résines présentent à la fois une température de transition vitreuse élevée supérieure à 300°C et une faible viscosité pour une température de mise en œuvre à 80°C adaptée au procédé Resin Transfert Molding (RTM). Les objectifs de cette thèse sont d’une part de comprendre le comportement de ces résines durant leur mise en œuvre et leur polymérisation et d’autre part d’étudier la durabilité de ces résines à partir d’études de vieillissement thermo-oxydatif à des températures proches des températures d’utilisation. La caractérisation physico-chimique des résines PT15 et PT30 à l’état de réception a d’abord montré que ces deux grades sont constitués d’oligomères de même composition chimique, de même configuration spatiale mais de distributions de masses molaires différentes. La présence de cycles triazines dans la résine PT30 indique un état de « pré-réticulation » qui n’est pas décelable pour la résine PT15. Ces différences vont avoir une incidence sur la cinétique de la réaction de réticulation des deux résines et vont favoriser un mécanisme autocatalytique pour le grade PT30. Après optimisation d’un cycle de cuisson, ces deux grades présentent une différence de température de transition vitreuse de 70°C. Parmi les différentes techniques d’analyse expérimentées, ce sont les études rhéologiques au cours de la réticulation qui vont permettre de comprendre les différences de structuration des réseaux et de mettre en avant la formation d’un réseau intermédiaire qui relaxe à plus basse température pour la PT15. Cette différence d’organisation est l’élément clé qui permet de comprendre les différences de stabilités thermiques évaluées lors de vieillissement thermo-oxydatif
Composite materials made of cyanate ester resins and in particular phenolic triazine resins such as PT15 and PT30 are selected to replace structural metal parts in aircraft at operating temperatures between 200 and 300°C. The main advantages of these resins are their high glass transition temperature, above 300°C, and their low viscosity at 80°C make them suitable for Resin Transfert Molding (RTM) process. The main goals of this work are to understand the resins’ behavior during crosslinking and then to study their durability through thermo-oxidative aging at operating temperatures. Physico-chemical characterizations of PT15 and PT30 resins at their initial state showed a similar chemical composition and spatial configuration but a different molar mass distribution. Triazine rings have only been detected in PT30 only, indicating a “pre-cured” state. These differences have consequences on the crosslinking kinetics and promote an autocatalytic mechanism for PT30. After cure optimization, PT15 has a glass transition temperature 70°C lower than the one of PT30. Among different analysis techniques, the rheological study during crosslinking provided an understanding of the networks’ structuration dissimilarities between the two grades, highlighting the formation of an intermediate structure which relaxes at lower temperatures in PT15. This different networks’ organization is the key element to understand dissimilar thermal stabilities analyzed during thermo-oxidative aging

Les zones de convergence sont des objets clés à la compréhension de la dynamique de la lithosphère. Elles sont le siège de déformations majeures comme en témoignent la concentration et l’intensité des séismes qui leur sont associées. A plus grande échelle de temps et d'espace, ces déformations résultent généralement en un empilement d’unités dont l’étude offre l'accès aux différents niveaux structuraux mis en jeu dans l'organisation de la chaîne de montagnes. Caractériser précisément la dynamique de structuration de ces unités ainsi que les paramètres contrôlant cette dynamique constitue une étape cruciale permettant d’aller plus loin, notamment quantitativement, dans notre connaissance de la dynamique lithosphérique. Cette thèse a comme double objectif (1) de préciser le comportement rhéologique des roches aux conditions Pressions-Température P-T du faciès éclogitique au sein de l' interface de subduction et (2) de caractériser et quantifier l' influence de la rhéologie de la plaque supérieure, et plus spécifiquement, le rôle de sa partie crustale, sur l'évolution spatio-temporelle des zones de convergence. Pour cela, une approche multi-disciplinaire a été utilisée. Dans un premier temps, je présente une analyse multi-échelle couplant travail de terrain et de pétrologie métamorphique qui a permis d'étudier la déformation au sein de roches HP-BT à l' interface de subduction au niveau de la klippe du Mont-Emilius (Alpes occidentales, Italie). Je détaille ensuite une étude quantitative alliant modélisation numérique thermo-mécanique 3D et 2D de zones de convergence. L'ensemble des modèles a permis d'analyser de nombreux paramètres influençant la structure rhéologique de la plaque supérieure tels que le géotherme initial, l'épaisseur de la lithosphère et de la croûte et la nature des matériaux impliqués. L'ensemble des modèles réalisés sont contraints/confrontés par/aux des données issues d'exemples naturels. Les résultats de l'étude sur des roches déformées au sein de l’interface de subduction mettent en évidence le possible comportement cassant des roches à des conditions de pression et température de l'ordre de 2.15-2.40 GPa, 500-550 °C, i.e., dans le faciès éclogitique. L’enregistrement d’un tel mode de déformation est d'une importance capitale car il remet en question le paradigme d’un comportement ductile sans résistance au niveau de l’ interface de subduction. Les résultats obtenus via les modèles numériques montrent par ailleurs que la rhéologie de la plaque supérieure, ainsi que celle de sa seule partie crustale, a une influence de premier ordre sur la dynamique globale des zones de convergence en modifiant notamment le mode de subduction, la cinématique de la fosse, le mode d'exhumation lors d'une collision, le timing de la déchirure du slab et de la formation de bassins d'arrière-arc, la répartition et l'intensité de la déformation au sein de la plaque supérieure. La combinaison des méthodes de pétrologie et de modélisation numérique a permis d'obtenir une analyse quantifiée de l' influence de la rhéologie des lithosphères impliquées dans les zones de convergence sur la dynamique de ces zones. Cette thèse présente ainsi de nouvelles contraintes à notre compréhension de la réponse mécanique de la lithosphère, en fonction de sa structuration rhéologique et de sa place au sein des zones de convergence à petite et grande échelle. Les nouvelles données présentées révèlent l' impact majeur de la rhéologie de la lithosphère dans les zones de convergence. Ce paramètre amène ainsi à reconsidérer notre vision actuelle des zones de convergence
Convergence zones are key objects to the understanding of the lithosphere dynamics. They are the location correspond to places of intense deformation as evidenced by the concentration and magnitude of recorded earthquakes. On a larger scale of time and space, these deformations generally result in nappes stacking whose study offers access to the different structural levels involved in the mountain belt structuration. Precisely characterizing the structuring dynamics of these units as well as the parameters controlling this dynamic is a crucial step that would allow in particular a better quantification of lithospheric dynamics. The aim of this thesis is twofold: (1) clarifying the rheological behavior of rocks in the Pressure-Temperature (P-T) conditions of the eclogitic facies at the subduction interface and (2) characterizing and quantifying the influence of the overriding plate rheology, and more specifically, the role of its crustal part, on the spatio-temporal evolution of convergence zones. For this, I used a multi-disciplinary approach. First, I present a multi-scale analysis combining fieldwork and metamorphic petrology, which allowed me to study the deformation within High Pressure-Low Temperature (HP-LT) rocks at the subduction interface in the Mont-Emilius klippe (Western Alps, Italy). Then, I show the results of a quantitative study combining 3D and 2D thermo-mechanical modeling of convergence zones. The entire set of models allowed me to analyze different parameters influencing the rheological structure of the overriding plate, such as the initial geotherm, the thicknesses of the lithosphere and the crust, and the nature of the involved materials. All the performed models are constrained/compared by/with data from natural examples. The results of the study on deformed rocks within the subduction interface highlight the possible brittle behavior of rocks at pressure and temperature conditions on the order of 2.15-2.40 GPa and 500-550 °C, i.e., in the eclogitic facies. The recording of such a deformation mode is of paramount importance because it challenges the paradigm of subduction interface caracterized by ductile behavior without resistance. The results obtained with the numerical models show that the rheology of the overriding plate, as well as that of only its crustal part, has a first-order influence on the overall dynamics of the convergence zones by modifying the mode of subduction, trench kinematics, the mode of exhumation during collision, the timing for slab break-off and back-arc basin formation, the location and intensity of deformation within the overriding plate. The combination of petrology and numerical modeling methods allowed me to obtain a quantified analysis of the influence of the rheology of the lithospheres involved in convergence zones on the dynamics of these zones. This thesis presents new constraints for our understanding of the mechanical response of the lithosphere at different spatial scales as a function of its rheological structure. The new data presented here reveal the major impact of the lithosphere rheology in convergence zones. This parameter leads us to reconsider our current view of the convergence zones

Ce travail de thèse s’inscrit dans le contexte identifié de la nécessité de développer de nouveaux polymères plus respectueux de l’environnement. Nous sommes convaincus que l’essor de ces matériaux « verts » exige d’utiliser des additifs « verts » lors de la formulation. Dans le but d’élaborer des additifs respectueux de l’environnement capables d’assurer la stabilisation du polymère au regard du cycle de vie, et en attachant une attention particulière à la valorisation de la biomasse, trois approches ont été étudiées. La première est une voie innovante qui consiste à utiliser un mélange de polyphénols issus des sous-produits de l’industrie vinicole, et de l’industrie du thé. La seconde voie est la valorisation d’une molécule issue du sous-produit majeur de l’industrie du blé. La troisième est une voie d’innovation récente, qui propose l’utilisation de nanocomposites hydroxydes doubles lamellaires (HDL) fonctionnalisés avec des stabilisants biosourcés. L’évaluation de leurs propriétés stabilisantes, est réalisée au regard des processus de thermo- et photo-oxydation, dans les polyoléfines. Les résultats très prometteurs de ce projet mettent en évidence le fort potentiel des molécules et composites d’origine biosourcée à maintenir les propriétés des polymères en conditions d’usages
This thesis work falls within the identified context of the need to develop new polymers that are more environmentally friendly. We are convinced that the development of these "green" materials requires the use of "green" additives during formulation. To develop environmentally friendly additives capable of stabilizing the polymer, with respect to the life cycle, and paying special attention to biomass valorization, three approaches have been studied. The first is an innovative way of using a mixture of polyphenols from winery by-products and tea industry. The second way is the valorisation of a molecule from the major by-product of the wheat industry. The third is a recent route of innovation, which proposes the use of layered double hydroxides nanocomposites (LDH) functionalized with bio based stabilizers. The evaluation of their stabilizing properties is carried out in polyolefins, against thermo- and photo-oxidation processes. The very promising results of the project highlight the strong potential of bio based molecules and composites to maintain polymers properties under conditions of use

Continental rifting is an important geodynamic process during which the Earth's outer-most rigid shell undergoes continuous stretching resulting in continental break-up and theformation of new oceanic basins. The East African Rift System, which has two continentalsegments comprising largely of the East African Rift (EAR) to the West and the easternmostsegment Madagascar, is the largest narrow rift on Earth. However, the driving mechanismsof continental rifting remain poorly understood due to a lack of numerical infrastructure tosimulate rifting, the lack of knowledge of the underlying mantle dynamics, and poor knowl-edge of mantle rheology. Here, we use state-of-art computational modeling of the upper660 km of the Earth to: 1) provide a better understanding of mantle flow patterns and themantle rheology beneath Madagascar, 2) to elucidate the main driving forces of observedpresent-day∼E-W opening in the EAR, and 3) to investigate the role of multiple plumesor a superplume in driving surface deformation in the EAR. In chapter 1, we simulate EdgeDriven convection (EDC), constrained by a lithospheric thickness model beneath Madagas-car. The mantle flow associated with the EDC is used to calculate induced olivine aggregates'Lattice Preferred Orientation (LPO), known as seismic anisotropy. The predicted LPO isthen used to calculate synthetic seismic anisotropy, which were compared with observationsacross the island. Through a series of comparisons, we found that asthenospheric flow result-ing from undulations in lithospheric thickness variations is the dominant source of the seismicanisotropy, but fossilized structures from an ancient shear zone may play a role in southern Madagascar. Our results suggest that the rheological conditions needed for the formationof seismic anisotropy, dislocation creep, dominates the upper asthenosphere beneath Mada-gascar and likely other continental regions. In chapter 2, we use a 3D numerical model ofthe lithosphere-asthenosphere system to simulate instantaneous lithospheric deformation inthe EAR and surroundings. We test the hypothesis that the∼E-W extension of the EAR isdriven by large scale forces arising from topography and internal density gradients, known aslithospheric buoyancy forces. We calculate surface deformation solely driven by lithosphericbuoyancy forces and compare them with surface velocity observations. The lithosphericbuoyancy forces are implemented by imposing observed topography at the model surfaceand lateral density variations in the crust and mantle down to a compensation depth of 100km. Our results indicate that the large-scale∼E-W extension across East Africa is driven bylithospheric buoyancy forces, but not along-rift surface motions in deforming zones. In chap-ter 3, we test the hypothesis that the anomalous northward rift-parallel deformation observedin the deforming zones of the EAR is driven by viscous coupling between the lithosphereand deep upwelling mantle material, known as a superplume, flowing northward. We testtwo end-member plume models including a multiple plumes model simulated using high res-olution shear wave tomography-derived thermal anomaly and a superplume model (Africansuperplume) simulated by imposing a northward mantle-wind on the multiple plumes model.Our results suggest that the horizontal tractions from northward mantle flow associated withthe African Superplume is needed to explain observations of rift-parallel surface motions indeforming zones from GNSS/GPS data and northward oriented seismic anisotropy beneaththe EAR. Overall, this work yields a better understanding of the geodynamics of Africa.
Doctor of Philosophy
Continental rifting is an important geodynamic process during which the Earth's outer-most rigid shell undergoes continuous stretching resulting in continental break-up and theformation of new oceanic basins. The East African Rift System, which has two continentalsegments comprising largely of the East African Rift (EAR) to the West and the easternmostsegment Madagascar, is the largest narrow rift on Earth. However, the driving mechanismsof continental rifting remain poorly understood due to a lack of numerical infrastructure tosimulate rifting, the lack of knowledge of the underlying mantle dynamics, and poor knowl-edge of mantle rheology. Here, we use state-of-art computational modeling of the upper660 km of the Earth to: 1) provide a better understanding of mantle flow patterns and themantle rheology beneath Madagascar, 2) to elucidate the main driving forces of observedpresent-day∼E-W opening in the EAR, and 3) to investigate the role of multiple plumesor a superplume in driving surface deformation in the EAR. In chapter 1, we simulate EdgeDriven convection (EDC), constrained by a lithospheric thickness model beneath Madagas-car. The mantle flow associated with the EDC is used to calculate induced olivine aggregates'Lattice Preferred Orientation (LPO), known as seismic anisotropy. The predicted LPO isthen used to calculate synthetic seismic anisotropy, which were compared with observationsacross the island. Through a series of comparisons, we found that asthenospheric flow result-ing from undulations in lithospheric thickness variations is the dominant source of the seismicanisotropy, but fossilized structures from an ancient shear zone may play a role in southern Madagascar. Our results suggest that the rheological conditions needed for the formationof seismic anisotropy, dislocation creep, dominates the upper asthenosphere beneath Mada-gascar and likely other continental regions. In chapter 2, we use a 3D numerical model ofthe lithosphere-asthenosphere system to simulate instantaneous lithospheric deformation inthe EAR and surroundings. We test the hypothesis that the∼E-W extension of the EAR isdriven by large scale forces arising from topography and internal density gradients, known aslithospheric buoyancy forces. We calculate surface deformation solely driven by lithosphericbuoyancy forces and compare them with surface velocity observations. The lithosphericbuoyancy forces are implemented by imposing observed topography at the model surfaceand lateral density variations in the crust and mantle down to a compensation depth of 100km. Our results indicate that the large-scale∼E-W extension across East Africa is driven bylithospheric buoyancy forces, but not along-rift surface motions in deforming zones. In chap-ter 3, we test the hypothesis that the anomalous northward rift-parallel deformation observedin the deforming zones of the EAR is driven by viscous coupling between the lithosphereand deep upwelling mantle material, known as a superplume, flowing northward. We testtwo end-member plume models including a multiple plumes model simulated using high res-olution shear wave tomography-derived thermal anomaly and a superplume model (Africansuperplume) simulated by imposing a northward mantle-wind on the multiple plumes model.Our results suggest that the horizontal tractions from northward mantle flow associated withthe African Superplume is needed to explain observations of rift-parallel surface motions indeforming zones from GNSS/GPS data and northward oriented seismic anisotropy beneaththe EAR. Overall, this work yields a better understanding of the geodynamics of Africa.

Une émulsion à changement de phase (PCME: phase-change material emulsion) est un fluide consistant en une émulsion d'un matériau à changement de phase (PCM, phase change material), comme de la paraffine, dispersé dans un fluide porteur (phase continue), souvent de l'eau ou une solution acqueuse de surfactant. Les PCME peuvent être envisagés comme fluides à haute performance thermique (frigoporteurs ou caloporteurs) en raison de leur potentiel de transport de chaleur latente (cristallisation ou fusion du PCM). Cette thèse présente des résultats expérimentaux concernant le comportement thermo-rheologique des differentes versions de PCME (émulsions de paraffine dans différentes solutions acqueuses de surfactant, avec une concentration massique en paraffine égale à 30 %) sur une plage de température de 0 - 20 °C. Les propriétés thermophysiques des émulsions ont été déterminées. Ensuite, une étude expérimentale du transfert de chaleur par convection forcée laminaire a été effectuée. Le coefficient de transfert de chaleur convectif de l'émulsion pendant le refroidissement a été déterminé dans une configuration expérimentale proche de celle pouvant être rencontrée dans des échangeurs thermiques à plaques. La configuration se compose principalement de deux canaux rectangulaires (80 x 6 mm²) de longueurs égale à 1 m. Des corrélations utiles pour évaluer les coefficients d'échange thermique (locaux ou globaux) ont été établies entre les nombres de Nusselt, de Reynolds et de Prandtl. Un banc d'essais spécifique a également été utilisé pour analyser le comportement rhéologique des PCME. Des essais ont été effectués à l'aide d'un viscosimètre à différentes températures. La stabilité des émulsions a été examinée sous diverses charges thermomécaniques. Les expériences ont révélé un comportement rheofluidisant. L'ensemble de ces résultats montre que les PCME sont des candidats prometteurs pour les applications à la climatisation
A phase change material emulsion (PCME) is a fluid consisting of an emulsion of a phase change material (PCM), such as paraffin, dispersed in a carrier fluid (contiunuous phase), often water of an aqueous solution of surfactant. PCMEs can be considered as potential high performance thermal fluids (used as secondary refrigerants or as heat transport fluids) owing to their latent heat involved in the fusion of cristalisation of the PCM. This thesis reports experimental results concerning the thermo-rheological behavior of different versions of a PCME (30%wt. paraffin concentration in various acqueous solutions of surfactant) over the temperature range [0 – 20 °C]. The thermophysical properties of the PCMEs were determined. Then, an experimental study of forced convection heat transfer during laminar flow was carried out. The convective heat transfer coefficient of the PCMEs during cooling was determined in an experimental configuration mocking up applications in plate heat exchangers. The configuration mainly consists of two 1 m long rectangular channels (80 x 6 mm2). Correlations were developped for the prediction of the (local and overall) heat transfers coefficients, based on the Nussel, Reynolds and Prandtl numbers. A specific test bench was also used to analyse the rheological behaviour of the PCMEs. Tests were carried out using a viscometer at different temperatures. The stability of the emulsion was examined under various thermo-mechanical loads. Experiments revealed a pseudoplastic behavior for all tested versions of the PCME. All these results show that PCMEs are an attractive candidate for their applications in the field of air conditioning

Ce travail de thèse s’inscrit dans le contexte identifié de la nécessité de développer de nouveaux polymères plus respectueux de l’environnement. Nous sommes convaincus que l’essor de ces matériaux « verts » exige d’utiliser des additifs « verts » lors de la formulation. Dans le but d’élaborer des additifs respectueux de l’environnement capables d’assurer la stabilisation du polymère au regard du cycle de vie, et en attachant une attention particulière à la valorisation de la biomasse, trois approches ont été étudiées. La première est une voie innovante qui consiste à utiliser un mélange de polyphénols issus des sous-produits de l’industrie vinicole, et de l’industrie du thé. La seconde voie est la valorisation d’une molécule issue du sous-produit majeur de l’industrie du blé. La troisième est une voie d’innovation récente, qui propose l’utilisation de nanocomposites hydroxydes doubles lamellaires (HDL) fonctionnalisés avec des stabilisants biosourcés. L’évaluation de leurs propriétés stabilisantes, est réalisée au regard des processus de thermo- et photo-oxydation, dans les polyoléfines. Les résultats très prometteurs de ce projet mettent en évidence le fort potentiel des molécules et composites d’origine biosourcée à maintenir les propriétés des polymères en conditions d’usages
This thesis work falls within the identified context of the need to develop new polymers that are more environmentally friendly. We are convinced that the development of these "green" materials requires the use of "green" additives during formulation. To develop environmentally friendly additives capable of stabilizing the polymer, with respect to the life cycle, and paying special attention to biomass valorization, three approaches have been studied. The first is an innovative way of using a mixture of polyphenols from winery by-products and tea industry. The second way is the valorisation of a molecule from the major by-product of the wheat industry. The third is a recent route of innovation, which proposes the use of layered double hydroxides nanocomposites (LDH) functionalized with bio based stabilizers. The evaluation of their stabilizing properties is carried out in polyolefins, against thermo- and photo-oxidation processes. The very promising results of the project highlight the strong potential of bio based molecules and composites to maintain polymers properties under conditions of use

Putting on or taking off clothes helps the body to stay within the comfortable temperature range (toavoid shivering or sweating) at different activity levels and ambient conditions. Clothes with built-inthermo-regulating properties would mean maintained comfort without putting on or taking off clothesthat frequently. Integration of phase change materials (PCMs) in clothes is one way of achievingthermo-regulating properties. When the body temperature goes up, the PCM melts and absorbs theheat from the body in the form of latent heat (cooling effect). When the temperature drops, the PCMcrystallizes and the stored heat is released again (warming effect).Research on thermo regulating fibres of the bi-component type containing PCM in the core has beenconducted at Swerea IVF in Mölndal, Sweden, for some time. It has been found that high molecularweight HDPE is a suitable viscosity modifier for hydrocarbon waxes used as PCM. The preparation ofcore materials has so far been done in a batch wise fashion in the way that molten wax has beensoaked into pelletized HDPE at around 180°C during prolonged times followed by melt compoundingin a Brabender batch kneader (0.3 kg per batch). Besides being very impractical for larger productionvolumes the method involves long residence times at high temperatures which may induce thermaldegradation reactions. The objective of the present diploma (master’s thesis) work was to develop acontinuous mixing method to produce PCM/HDPE blends and to test the resulting material in bicomponentfibers with a Nylon (PA6) sheath and to characterize the resulting fiber properties in termsof strength and latent heat.It was proven possible to compound HDPE with large amounts (70%) of octadecane (PCM) on aBrabender twin screw extruder. HDPE was metered to the extruder hoper by means of a screw feederand wax was continuously fed to the hoper in the liquid state by means of a heated membrane pump.To facilitate mixing HDPE in form of powder instead of pellets was used. The extruded threads weresolidified in a water bath followed by granulation. Bi-component fibers were successfully producedfrom such materials. Fibers containing 15 to 42% Octadecane were produced showing heat of fusionsin the range 26 to 86 J/g and tenacities in the range 33 to 16 cN/tex. The heat of fusion of the fiberscompares favorable with existing commercial products showing values in the range 5-15 J/g (acrylicand cellulosic fibres containing microencapsulated hydrocarbon waxes). The peak melting point ofoctadecane measured by DSC was found to be depressed some 4-5°C in the fibers compared to pureoctadecane (28°C). Such a melting point depression is important to consider when choosing type ofhydrocarbon wax.
Program: Magisterutbildning i textilteknologi

Nous présentons une étude mettant en œuvre la méthode de la goutte oscillante pour sonder l'interface huile/eau, modifiable par ajout de tensioactifs ou des nanoparticules, entourée d'une phase continue de rhéologie contrôlable. La question clé posée dans ce travail porte sur l'effet des propriétés rhéologiques de la phase continue sur les mesures des modules viscoélastiques interfaciaux déduits à partir de la compression/dilatation d'une goutte oscillante. Dans cette optique, la phase continue est constituée d'un hydrogel thermoréversible K-carraghénane, sélectionné pour son inactivité interfaciale mais également pour son hystérèse en transition sol/gel qui permet en effet d'avoir un gel ou un liquide à la même température selon l'histoire thermique.Dans le cas d'une interface nue huile/eau et dans les conditions où la solution de KC est liquide, le module élastique de l'interface reste faible. Quand la solution de KC devient un gel, même si ce dernier est faible au point que la solution s'écoule sous son propre poids, nous assistons à l'apparition d'une signature élastique des meures viscoélastiques interfaciales attestant que la contribution de la rhéologie de la phase continue est non négligeable. La présence d'un tensioactif à l'interface huile/eau, génèrent un module élastique interfacial qui augmente avec la concentration en tensioactif dans le cas d'un milieu environnant liquide. En présence d'un gel faible, le module interracial s'effondre à force que le module du gel KC augmente attribuer à une pseudo-localisation de déformation à l'interface. Ce phénomène disparaît dans le cas d'une interface dense en nanoparticules solides (effet Pickering).L'ensemble de ce travail révèle l'importance de la déconvolution des contributions interfaciale et de volume dans des essais de rhéologie interfaciale avec la goutte pendante
We present a study implementing the oscillating drop method to probe the oil/water interface, modifiable by surfactants or nanoparticles, while surrounded by a continuous phase of controllable rheology. The key question posed in this work concerns the effect of the rheological properties of the continuous phase on the measurements of interfacial viscoelastic moduli extracted from the compression/expansion of an oscillating drop. With this in mind, the continuous phase consists of a thermo-reversible hydrogel K-carrageenan, selected for its interfacial inactivity but also for its hysteresis after the sol/gel transition which allows to have a gel or liquid at the same temperature according to the thermal history.In the case of a pure oil/water interface and under conditions where the KC solution is liquid, the elastic modulus of the interface remains weak. When the KC solution becomes a gel, even if it is weak to the point that the solution flows under its own weight, we witness the appearance of an elastic signature in interfacial viscoelastic measures attesting to the contribution of the rheology of the continuous phase being not negligible.The presence of a surfactant at the oil/water interface, generating an interfacial elastic modulus that increases with the concentration of surfactant in the case of a liquid surrounding medium. In the presence of a weak gel, the interfacial modulus decreases by despite that the modulus of the KC gel increases, this is attributed to a pseudo-localization of deformation at the interface. This phenomenon disappears in the case of an interface laden with solid nanoparticles (Pickering effect).All of this work reveals the importance of deconvoluting interfacial and volume contributions in an interfacial viscoelasticity test of the pendant drop

Дисертація присвячена підвищенню ефективності функціонування нафтопроводів шляхом розробки методів прогнозування теплогідравлічних параметрів їх роботи, які враховують реологічні особливості високов'язких нафт Прикарпаття. Виконані багатосерійні експериментальні дослідження реологічних характеристик високов'язкої швидкозастигаючої нафти Долинського родовища у широкому діапазоні температур. Обґрунтований вибір реологічної моделі долинської нафти у різних діапазонах температур. Розроблені емпіричні моделі залежності граничного динамічного напруження зсуву і пластичної в'язкості від температури. Розроблена універсальна математична модель для коефіцієнта гідравлічного опору в не-ізотермічному нафтопроводі, яка забезпечує одержання адекватних результатів у всіх зонах тертя турбулентного режиму і дає змогу врахувати зміну коефіцієнтів режиму руху рідини у кожному перерізі трубопроводу. Запропонована математична модель усталеного неізотермічного руху рідини у трубопроводі, яка враховує вплив тепла тертя потоку, прихованої теплоти кристалізації парафіну, зміну коефіцієнтів режиму руху рідини і реологічні властивості нафти. Створено пакет методик і програмного забезпечення для проведення теплогідравлічного розрахунку неізотермічного нафтопроводу при перекачуванні рідин, які характеризуються ньютонівськими і неньютонівськими властивостями. Запропоновано методику теплогідравлічного розрахунку неізотермічного нафтопроводу при послідовному перекачуванні нафт із суттєвою різницею реологічних властивостей. Виконана апробація розробок шляхом виконання технологічних розрахунків і порівняння їх результатів з фактичними режимами роботи нафтопроводу Долина-Дрогобич.
В первом разделе приведен анализ существующих работ по вопросам перекачивания высоковязких нефтей и нефтепродуктов с подогревом, выявлены нерешенные вопросы и сформулированы задачи исследований. Показано, что актуальность проблемы повышения эффективности транспортирования высоковязких нефтей с подогревом по трубопроводам не исчерпана и предоставляет широкие возможности для научной деятельности. Второй раздел содержит методику проведения и анализ результатов экспериментальных исследований реологических свойств высоковязкой высокозасты-вающей долинской нефти. Исследования проводились на структурном ротационном вискозиметре «Реотест-2». На основании опытов построены графические зависимости динамического напряжения сдвига от градиента скорости для значений градиентов от 0 до 1312 1/с в диапазоне температур от 65 до 5 °С. Доказано, что долинская нефть при температурах, ниже 50 °С, проявляет свойства вязко-пластичной жидкости и ее движение может быть описано уравнением Шведова-Бингама. На основании экспериментов определены значения коэффициентов реологической модели - граничное динамическое напряжение сдвига и пластическая вязкость нефти. Получены полиномиальные зависимости этих коэффициентов от температуры. Третий раздел посвящен созданию математической модели установившегося теплогидравлического режима работы неизотермического нефтепровода при перекачивании ньютоновских и неньютоновских жидкостей. В качестве исходных выражений использована система дифференциальных уравнений в виде, предложенным М.В. Лурье. Система дополнена слагаемыми, учитывающими тепло трения потока и скрытую теплоту кристаллизации парафина. Для коэффициента гидравлического сопротивления предложена универсальная модель Лейбензона, в которой число Рейнольдса и коэффициенты режима в отличие от существующих методик являются переменными для каждого сечения трубопровода. Для определения переменных коэффициентов режима предложен адаптивный метод, основанный на использования формулы Колбрука. Четвертый раздел посвящен разработке методов и компьютерных программ для теплогидравлических расчетов неизотермических нефтепроводов при перекачивании ньютоновских жидкостей. Пятый раздел содержит результаты разработки методов и компьютерных программ для теплогидравлических расчетов неизотермических нефтепроводов при перекачивании неньютоновских жидкостей. Предложена также методика теплогидравлического расчета нефтепровода при последовательной перекачке жидкостей, существенно отличающихся реологическими свойствами. Апробация методик произведена путем выполнения технологических расчетов и сравнения полученных результатов с фактическими параметрами работы нефтепровода Долина-Дрогобыч. Максимальное отклонение результатов не превышает ± 8 %.
The thesis is devoted to the increase of oil pipeline effective operation by the development of methods to forecast thermo-hydraulic parameters of the pipelines' work taking into account the rheological peculiarities of high-viscosity oils in the Precarpathia. Serial experimental research of rheological characteristics of highly solidifying oil from Dolyna deposit has been conducted in a wide temperature span. It has been acknowledged the selection of rheological model of Dolyna oil in different temperature spans. An analytical method has been applied to determine, according to the research data, the coefficient values of the rheological model of Shwedow-Bingam. The empirical models of the dependence of boundary dynamic stress fault and rigidity on temperature have been offered as well. Besides, there has been developed a universal mathematical model for the hydraulic resistance coefficient in the anisothermic pipeline with the help of which we can receive appropriate results in all friction zones of turbulent condition and get the possibility to calculate the change of liquid flow regime coefficients in every pipeline cross-section. Moreover, the author offers a mathematical model of the fixed anisothermic liquid flow in a pipeline, which includes the influence of friction heat flow, hidden heat of paraffin crystallization, coefficients change of the liquid flow regime and oil rheological peculiarities. To make thermo-hydraulic calculations of anisothermic pipeline during the process of oil pumping there have been created a pack of methods and software which can be characterized by the Newtonian and non-Newtonian properties. It has been offered the method of thermo-hydraulic calculation of anisothermic pipeline during batching of oils with the essential difference of rheological properties. The developments have been approved by technological calculations and comparison of their results with the real operation regimes of Dolyna-Drohobych pipeline.

abstract: Temporary bonding-debonding of flexible plastic substrates to rigid carriers may facilitate effective substrate handling by automated tools for manufacture of flexible microelectronics. The primary challenges in implementing practical temporary bond-debond technology originate from the stress that is developed during high temperature processing predominately through thermal-mechanical property mismatches between carrier, adhesive and substrate. These stresses are relaxed through bowing of the bonded system (substrate-adhesive-carrier), which causes wafer handling problems, or through delamination of substrate from rigid carrier. Another challenge inherent to flexible plastic substrates and linked to stress is their dimensional instability, which may manifest itself in irreversible deformation upon heating and cooling cycles. Dimensional stability is critical to ensure precise registration of different layers during photolithography. The global objective of this work is to determine comprehensive experimental characterization and develop underlying fundamental engineering concept that could enable widespread adoption and scale-up of temporary bonding processing protocols for flexible microelectronics manufacturing. A series of carriers with different coefficient of thermal expansion (CTE), modulus and thickness were investigated to correlate the thermo-mechanical properties of carrier with deformation behavior of bonded systems. The observed magnitude of system bow scaled with properties of carriers according to well-established Stoney's equation. In addition, rheology of adhesive impacted the deformation of bonded system. In particular, distortion-bowing behavior correlated directly with the relative loss factor of adhesive and flexible plastic substrate. Higher loss factor of adhesive compared to that of substrate allowed the stress to be relaxed with less bow, but led to significantly greater dimensional distortion. Conversely, lower loss factor of adhesive allowed less distortion but led to larger wafer bow. A finite element model using ANSYS was developed to predict the trend in bow-distortion of bonded systems as a function of the viscoelastic properties of adhesive. Inclusion of the viscoelasticity of flexible plastic substrate itself was critical to achieving good agreement between simulation and experiment. Simulation results showed that there is a limited range within which tuning the rheology of adhesive can control the stress-distortion. Therefore, this model can aid in design of new adhesive formulations compatible with different processing requirements of various flexible microelectronics applications.
Dissertation/Thesis
Ph.D. Chemical Engineering 2011