Étude expérimentale du chargement triboélectrique d'une bille de verre en interaction avec des matériaux polymères

This PhD work focuses on the study of the phenomenon of impact electrification of glass beads in contact with various polymer materials. Despite being a sensitive aspect of many industrial processes, triboelectric charging still remains an impredictible and poorly understood phenomenon as soon as it involves dielectric materials. To bring a new contribution to the comprehension of the subject, this document reports the development and use of an experimental device measuring the electrostatic charge acquired by a bead during a unique impact with a dielectric target. The experimental device is first described in details, from conception decisions to the final experimental protocol. The triboelectric behavior of glass against targets made out of two different polymer materials, polytetrafluoroethylene (PTFE) and polyurethane (PU), is then studied through measurement campaigns designed to analyze the effect of important parameters divided in two categories: the impact mechanical parameters on one hand, and chemical and environmental parameters on the other hand. In the first part, the respective importance of the normal and tangential components of the bead velocity with respect to the target in triboelectric charging are analyzed for both materials. In addition to the validation of the generality of some previous experimental results in literature, the observed data also shows the importance of relaxation charge mechanisms such as electric discharges after separation in the triboelectric charging of PU. Studies on different diameter beads and other target materials have also been carried out to investigate the subject further. In the second part, an analysis of the bead surface conditions is first conducted through the chemical preconditioning of the beads used to provide a reference state. Measurement campaigns on the effects of relative humidity and temperature over impact triboelectric charging are then presented. To conclude, the effects of chemical additives placed at the surface of the beads are investigated in different humidity configurations.Ce travail de thèse porte sur l’étude du phénomène d’électrisation par impact de billes de verre en contact avec divers matériaux polymères. Bien qu’étant un phénomène sensible dans de nombreux procédés industriels, le chargement triboélectrique reste un phénomène imprédictible et mal compris dès lors qu’il implique des matériaux diélectriques. Pour apporter une contribution à la compréhension de ce sujet, ce manuscrit rapporte le développement et l’utilisation d’un dispositif expérimental permettant la mesure de la charge électrostatique acquise par une bille au cours d’un impact unique avec une cible diélectrique.Le dispositif expérimental est décrit en détails dans un premier temps, depuis les choix de conceptions jusqu’au protocole expérimental final mis en place. Le comportement triboélectrique du verre contre des cibles en polymères de deux matériaux différents, le polytétrafluoroéthylène (PTFE) et le polyuréthane (PU), est ensuite étudié à travers des campagnes de mesures portant deux catégories de paramètres : les paramètres mécaniques de l’impact d’une part, et les paramètres chimiques et environnementaux d’autre part. Dans cette première partie, l’importance respective de la composante normale et tangentielle de la vitesse de la bille par rapport au repère de la cible dans le chargement triboélectrique sont analysées pour les deux matériaux. En plus de valider la généralité de certains résultats expérimentaux de la littérature scientifique, les données observées permettent également de mettre en évidence l’importance des mécanismes de relaxation de charges par décharge électrique après séparation dans le chargement triboélectrique du PU. Des études sur des billes de plusieurs diamètres et sur d’autres matériaux de cibles ont été utilisés en complément pour permettre une discussion approfondie du sujet. Dans la deuxième partie, une analyse des conditions de surface des billes est d’abord réalisée à travers le protocole de préconditionnement chimique utilisé pour obtenir un état de référence. Des campagnes de mesures réalisées pour analyser les effets de l’humidité relative et de la température sur le chargement triboélectrique par impact sont ensuite présentées. Pour finir, les effets d’additifs chimiques placés en surface des billes de verre sont étudiés dans plusieurs configurations d’humidité

Experimental study of the triboelectric charging of a glass bead in interaction with polymer materials

Ce travail de thèse porte sur l’étude du phénomène d’électrisation par impact de billes de verre en contact avec divers matériaux polymères. Bien qu’étant un phénomène sensible dans de nombreux procédés industriels, le chargement triboélectrique reste un phénomène imprédictible et mal compris dès lors qu’il implique des matériaux diélectriques. Pour apporter une contribution à la compréhension de ce sujet, ce manuscrit rapporte le développement et l’utilisation d’un dispositif expérimental permettant la mesure de la charge électrostatique acquise par une bille au cours d’un impact unique avec une cible diélectrique.Le dispositif expérimental est décrit en détails dans un premier temps, depuis les choix de conceptions jusqu’au protocole expérimental final mis en place. Le comportement triboélectrique du verre contre des cibles en polymères de deux matériaux différents, le polytétrafluoroéthylène (PTFE) et le polyuréthane (PU), est ensuite étudié à travers des campagnes de mesures portant deux catégories de paramètres : les paramètres mécaniques de l’impact d’une part, et les paramètres chimiques et environnementaux d’autre part. Dans cette première partie, l’importance respective de la composante normale et tangentielle de la vitesse de la bille par rapport au repère de la cible dans le chargement triboélectrique sont analysées pour les deux matériaux. En plus de valider la généralité de certains résultats expérimentaux de la littérature scientifique, les données observées permettent également de mettre en évidence l’importance des mécanismes de relaxation de charges par décharge électrique après séparation dans le chargement triboélectrique du PU. Des études sur des billes de plusieurs diamètres et sur d’autres matériaux de cibles ont été utilisés en complément pour permettre une discussion approfondie du sujet. Dans la deuxième partie, une analyse des conditions de surface des billes est d’abord réalisée à travers le protocole de préconditionnement chimique utilisé pour obtenir un état de référence. Des campagnes de mesures réalisées pour analyser les effets de l’humidité relative et de la température sur le chargement triboélectrique par impact sont ensuite présentées. Pour finir, les effets d’additifs chimiques placés en surface des billes de verre sont étudiés dans plusieurs configurations d’humidité.This PhD work focuses on the study of the phenomenon of impact electrification of glass beads in contact with various polymer materials. Despite being a sensitive aspect of many industrial processes, triboelectric charging still remains an impredictible and poorly understood phenomenon as soon as it involves dielectric materials. To bring a new contribution to the comprehension of the subject, this document reports the development and use of an experimental device measuring the electrostatic charge acquired by a bead during a unique impact with a dielectric target. The experimental device is first described in details, from conception decisions to the final experimental protocol. The triboelectric behavior of glass against targets made out of two different polymer materials, polytetrafluoroethylene (PTFE) and polyurethane (PU), is then studied through measurement campaigns designed to analyze the effect of important parameters divided in two categories: the impact mechanical parameters on one hand, and chemical and environmental parameters on the other hand. In the first part, the respective importance of the normal and tangential components of the bead velocity with respect to the target in triboelectric charging are analyzed for both materials. In addition to the validation of the generality of some previous experimental results in literature, the observed data also shows the importance of relaxation charge mechanisms such as electric discharges after separation in the triboelectric charging of PU. Studies on different diameter beads and other target materials have also been carried out to investigate the subject further. In the second part, an analysis of the bead surface conditions is first conducted through the chemical preconditioning of the beads used to provide a reference state. Measurement campaigns on the effects of relative humidity and temperature over impact triboelectric charging are then presented. To conclude, the effects of chemical additives placed at the surface of the beads are investigated in different humidity configurations

Experimental study of the triboelectric charging of a glass bead impacting against a polymer plate

International audienceThe charging properties of a particle during a single impact have been studied before in research. Despite these contributions, there remains incomprehension on the very mechanisms responsible for the charge transfer and predictions regarding the tribocharging of a dielectric particle against another dielectric material are still rather unreliable. Glass, found with various different chemical compositions, is a good example of a material that defies the expectations of triboelectric series. This article reports the development of a setup measuring the charge generated by a single impact between a glass bead and a dielectric. The setup is designed to control most relevant parameters to achieve the highest level of reproducibility possible, and to perform series of tests to maximize statistical relevance. Preliminary results on parameters such as the normal velocity at impact, the relative humidity and the impact angle are described