(english below)

Contexte industriel :
Un des enjeux de la baisse des émissions de gaz à effet de serre concerne les économies d’énergies. Saint-Gobain, engagé activement dans cette démarche pour ses procédés, contribue aussi à des économies d’énergie par ses solutions d’isolation thermique des habitats. Un des produits au coeur de ces performances est l’isolation par la laine de verre qui peut être appliquée en rouleaux ou bien sous forme de flocons de fibres que l’on appelle alors la laine à souffler. Ces fibres sont projetées dans des combles ou entre des parois. Assurer une qualité d’isolation finale nécessite de maîtriser l’évolution de ce matériau fibreux lors de la projection pneumatique ainsi que l’étape de remplissage. Un des points clé passe par la compréhension de la mécanique de ce matériau : en effet les agrégats de fibres ne doivent pas être compactés mais effilochés et la densité du produit doit être homogène.

Sujet :
La particularité des matériaux fibreux utilisés pour l’isolation thermique est d’être constitué d’un enchevêtrement de fibres de très grand rapport d’aspect. Dans un tel milieu comme dans un plat de spaghetti, les fibres sont courbées et en contact avec un grand nombre de voisines. À chaque contact, une force de friction empêche la fibre de glisser et de se redresser. Ce mécanisme est à la base de leur tenue mécanique, même sans liant entre les fibres au contraire des milieux granulaires classiques qui ne présentent pas de cohésion.
Ce milieu, qui peut présenter des hétérogénéités de densités locales, peut se densifier fortement sous compression ou se décompacter lorsque les forces de cohésion sont dépassées. Prédire le comportement et l’évolution de ce matériau constitue le coeur de la thèse.

Objectifs :
Le projet de thèse s’attachera à mesurer la réponse de volumes homogènes ou de « flocons » (d’agrégats) de fibres modèles (Fig. 1). D’un matériau homogène, comment se développent les hétérogénéités ? Quelle est la résistance à la déchirure ? Sous quelles conditions forment-elles des agrégats ? Comment les amas de fibres se désagrègent-ils ?
À travers diverses sollicitations mécaniques (vibration, flux d’air, tambour tournant, cisaillement (frottement) …), nous construirons un modèle mécanique des fibres enchevêtrées. La réorganisation des fibres de surface sera particulièrement étudiée, notamment par des analyses d’images (microscopie ou par tomographie rayon X), en fonction des propriétés mécaniques de la fibre et de la paroi solide (élasticité, coefficient de frottement, rapport d’aspect, rugosité). Les résultats seront comparés à des essais qui seront effectués avec des flocons de laine de verre à souffler.

Profil :
Nous cherchons une étudiante ou un étudiant (F/M) de master en physique ou ingénieur, motivé(e) par les expériences et intéressé(e) par la physique de la matière molle.

Laboratoire :
La thèse sera supervisée par Saint-Gobain Research Paris (SGR Paris), le laboratoire Surface du Verre et Interfaces (SVI, CNRS/SG) et l’Institut Universitaire des Systèmes Thermiques et Industriels (IUSTI, Aix-Marseille Univ./CNRS). Saint-Gobain Research Paris, un des principaux centres de R&D du groupe, développe des connaissances sur la laine à souffler et ses procédés d’élaboration et héberge SVI, dont une activité est dédiée aux matériaux granulaires. L’IUSTI est expert de la matière divisée et de la mécanique d’objets souples. Ces travaux se feront en constante discussion avec les équipes de SGR Paris. Les résultats permettront de mieux prédire l’état des flocons de fibres et apporter des recommandations précises sur des processus industriels.

Encadrement :
– SVI, CNRS/Saint-Gobain, Pierre Jop, pierre.jop@saint-gobain.com http://svi.cnrs.fr/
– IUSTI, CNRS/Aix-Marseille, Joël Marthelot, joel.marthelot@univ-amu.fr https://biosoftact.wordpress.com Olivier Pouliquen, olivier.pouliquen@univ-amu.fr https://tinyurl.com/iustisoft

PDF – sujet de thèse
PDF – PhD subject

Industrial context:
One of the challenges of reducing greenhouse gas emissions is related to energy savings. Saint-Gobain, actively committed in this effort for its processes, also contributes to energy savings through its thermal insulation solutions for housing. One of the products at the heart of this strategy is the insulation using glass wool, which can be applied as a mat or as fiber flakes blown below the roofs, known as blowing wool. These fibers are blown into attics or between walls. Ensuring a quality of final insulation requires controlling the evolution of this fibrous material during the pneumatic projection as well as during the filling stage. One key point is understanding the mechanics of this material: the fiber aggregates should not be compacted but should be loosened, and the product density should be homogeneous.

Subject:
The peculiarity of fibrous materials used for thermal insulation is that they are made up of an entanglement of fibers with a very high aspect ratio. In such a medium, like in a plate of spaghetti, the fibers are bent and in contact with many neighboring fibers. At each contact, a frictional force prevents the fiber from sliding and straightening. This mechanism is the basis for their mechanical strength, even without any binding agent between the fibers, unlike conventional granular media which do not exhibit any cohesion.
This medium, which exhibits heterogeneities of local densities, is highly compressible and can become decompacted when the cohesive forces are exceeded. Predicting the behavior and evolution of this material constitutes the heart of the Ph.D.

Objectives:
The PhD project will focus on measuring the mechanical response of homogeneous volumes or « flakes » (aggregates) of model fibers (Fig. 1). From a homogeneous material, how do heterogeneities develop? What is the tearing resistance? Under what conditions do the fibers form aggregates? How do fiber clusters disintegrate?
Through various mechanical stresses (vibration, air flow, rotating drum, shear (friction) …), we will construct a mechanical model of entangled fibers. The reorganization of surface fibers will be particularly studied, notably through image analyses (microscopy or X-ray tomography), based on the mechanical properties of the fiber and the solid wall (elasticity, coefficient of friction, aspect ratio, roughness). The results will be compared to tests that will be carried out with blowing fiberglass flakes.

Profile:
We are looking for a female or male master’s student in physics or engineering who is motivated by experiments and interested in the physics of soft matter.

Laboratories:
The PhD will be supervised by Saint-Gobain Research Paris (SGR Paris), the Glass Surface and Interfaces Laboratory (SVI, CNRS/SG), and the University Institute of Thermal and Industrial Systems (IUSTI, Aix-Marseille Univ./CNRS). Saint-Gobain Research Paris, one of the group’s main R&D centers, develops knowledge on blowing wool and its manufacturing processes and hosts SVI, whose one activity is dedicated to granular materials. IUSTI hosts an expert group in divided matter and the mechanics of soft objects. This work will be carried out with regular interactions with the teams at SGR Paris. The results will help to better predict the state of fiber flakes and provide precise recommendations on industrial processes.

Supervisors:
– SVI, CNRS/Saint-Gobain, Pierre Jop, pierre.jop@saint-gobain.com http://svi.cnrs.fr/
– IUSTI, CNRS/Aix-Marseille, Joël Marthelot, joel.marthelot@univ-amu.fr https://biosoftact.wordpress.com
Olivier Pouliquen, olivier.pouliquen@univ-amu.fr https://tinyurl.com/iustisoft

PDF – sujet de thèse
PDF – PhD subject