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Accueil du site > Recherche > Projets > Thème Fluides & Matériaux Complexes > Rhéologie locale des suspensions concentrées

Rhéologie locale des suspensions concentrées

- Porteur : Peters François

- Collaborateurs LPMC : Lobry Laurent, Lemaire Élisabeth

- Collaborateurs extérieurs : Pouliquen O., Guazzelli E. (IUSTI Université de Provence)

- Doctorants/Post-docs : Blanc Frédéric

- Soutiens financiers : Contrat SNPE (Heraclès)

- Description :

La rhéologie des suspensions concentrées est un champ de la Physique encore mal connu. En effet, tandis que, depuis les travaux théoriques d’Einstein puis de Batchelor, le comportement mécanique des suspensions diluées ou semi-diluées est assez bien connu, le cas de suspensions très concentrées est beaucoup plus compliqué et, malgré d’importants efforts développés ces dernières années, de nombreuses questions restent en suspens. La complexité du comportement rhéologique des suspensions concentrées est très certainement imputable à la présence de forces non-hydrodynamiques (forces de contact) entre les particules et à la microstructure qui apparaît sous écoulement. Nous souhaitons identifier le rôle exact joué par ces forces de contact entre particules sur le comportement rhéologique de la suspension.

Pour cela, l’état de surface de particules de PMMA (diamètre d’une centaine de microns) est modifié soit par voie mécanique soit par greffage de nanoparticules et les rhéologies de suspensions de particules lisses ou rugueuses sont comparées. Les comportements rhéologiques sont étudiés grâce à des mesures locales menées en géométrie de Couette cylindrique où les profils de vitesse et de concentration en particules sont déterminés grâce des mesures de PIV. L’avantage de cette mesure par rapport à une mesure macroscopique est qu’elle tient compte d’éventuelles inhomogénéités de concentration et de gradient de vitesse. Elle permet donc d’obtenir la relation constitutive locale de la suspension pour différentes fractions volumiques et peut également permettre de mettre en évidence des effets non locaux. Ce type de mesure a déjà été développé en RMN. La PIV devrait offrir une résolution spatiale bien meilleure, en particulier très inférieure à la taille des particules. La résolution temporelle également supérieure à celle de la RMN nous permet d’avoir accès au régime transitoire que nous tentons de mettre en lien avec la formation de la microstructure induite par l’écoulement .En revanche, utiliser la PIV suppose de travailler dans un milieu transparent. C’est ce que nous avons réussi à faire dans des suspensions contenant jusqu’à 50% de particules en volume : l’adaptation fine de l’indice de réfraction du liquide est réalisée en contrôlant la température. Nous avons ainsi pu obtenir des profils de vitesse qui montrent que les suspensions, quelque soit leur concentration ont un comportement newtonien.

Nous avons pu également montrer que lorsque le sens de rotation du cylindre interne était changé, la viscosité de la suspension diminuait, passait par un minimum et croissait vers une valeur de plateau. La viscosité semble n’être fonction que de la déformation cumulée. Un autre résultat intéressant qui corrobore des prédictions récentes de P. Mills (P. Mills & P. Snabre, Europhysics Letters 88, 34001 2009) se trouve dans la dépendance de la viscosité au minimum et sur le plateau avec la fraction volumique de particules. En effet la viscosité au minimum diverge comme (1-φ/φm)-1 , φm étant la fraction volumique de packing, alors que la viscosité de plateau suit une loi en puissance -2. La divergence en puissance -1 est celle qui est attendue lorsque seules les interactions hydrodynamiques jouent un rôle dans la dissipation tandis la divergence en puissance -2 est la signature d’interactions frictionnelles. Nous interprétons ainsi nos signaux transitoires par une destruction de la microstructure induite par le cisaillement (les particules s’éloignent les unes des autres et n’interagissent que via le fluide suspendant, la viscosité diminue) suivie de sa reconstruction au cours de laquelle les particules entrent en contact et exercent les unes sur les autres des forces frictionnelles. Afin de vérifier cette interprétation, nous modifierons l’état de surface des particules de façon à ce que les forces de contact soient changées et mesurerons les conséquences de ce changement sur la viscosité de la suspension. En outre, on s’attend à ce que la viscosité de plateau soit modifiée tandis que la valeur du minimum reste inchangée. L’effet de la microstructure sur les propriétés mécaniques d’une suspension est également mis en évidence en observant la sédimentation d’une bille dans une suspension concentrée. La superposition d’un cisaillement oscillant réussit à briser la microstructure induite par l’écoulement de sédimentation et la vitesse de chute de la bille est très largement augmentée. Les expériences sont menées en étroite relation avec des simulations numériques (voir projet Simulation numérique du comportement rhéologique de suspensions concentrées : rôle de la friction entre particules et du confinement).

Mots-clés

Fluides & Matériaux Complexes, Rhéologie des Suspensions