Porteur : Bossis Georges

 Collaborateurs LPMC : Persello Jacques, Volkova Olga

 Collaborateurs extérieurs : Grasselli Yan (SKEMA Bachelors-EAI)

 Doctorants/Post-docs : Morini Romain

 Plateformes technologiques : Centre de micro & nanorhéométrie , Analyse thermique, mécanique et rhéologique

 Description :

Lorsque la fraction volumique de particules dans un liquide dépasse 50%, la rhéologie devient très dépendante du taux de cisaillement. On observe habituellement une contrainte seuil nécessaire pour mettre le fluide en écoulement puis, lorsque le cisaillement augmente, la viscosité diminue soit à cause de la fracturation des agrégats de particules par l’effet du cisaillement soit par un effet d’alignement des particules le long des lignes de vitesse. Par contre , à plus fort taux de cisaillement on observe une augmentation de viscosité qui peut être d’autant plus brutale et importante que la concentration en particules est grande. La cause principale de ce phénomène , appelé rhéo-épaississement, est purement hydrodynamique et provient du ralentissement provoqué par les forces de lubrification entre particules. On a alors formation de proche en proche de structures alignées sur l’axe de compression qui vont croître rapidement et finir par connecter les parois, bloquant l’écoulement par le biais de forces de frictions solide-solide quand le fluide interstitiel est totalement expulsé.

Ce phénomène est indésirable dans de nombreuses applications industrielles où l’on souhaite faire s’écouler des suspensions concentrées ; c’est le cas en particulier des bétons et de leur constituant principal : le ciment. Pour le contrer il faut introduire une force répulsive entre particules par le biais de polyélectrolytes qui, adsorbés à la surface des particules, vont générer une force répulsive d’origine entropique et ,dans une plus faible mesure, électrostatique. De telles molécules, comme les polycarboxylates, sont connues sous le nom de superfluidifiants.

Notre projet dans ce domaine consiste à étudier le mode d’action de ces molécules — dont certaines nous sont fournies par la société Chryso — sur un système modèle constitué de particules minérales de carbonate de calcium. La méthodologie repose en premier lieu sur une caractérisation physico-chimique du complexe particule-fluidifiant par le biais d’isothermes d’adsorption, de mesure de charge des particules et de taille des agrégats et également par des mesures directes de forces par AFM entre une particule de carbonate de calcium et des cristaux de calcite. En parallèle les mesures rhéologiques ,en particulier la contrainte seuil et le taux de cisaillement critique (pour lequel le phénomène de rhéo-épaississement apparaît ) seront corrélées avec les caractéristiques des différentes molécules étudiées (rayon de gyration, taux de couverture de la surface minérale, interaction polymère-solvant et polymère -polymère...) dans le but de fournir un modèle permettant de concevoir l’architecture moléculaire la plus efficace pour la synthèse de nouvelles molécules de fluidifiants.

Notons qu’à côté de cet enjeu industriel, l’utilisation de différentes molécules de fluidifiants et/ou de différentes concentrations de ces fluidifiants, permettra de tester sur un seul et même système (constitué de particules de carbonate de calcium) une approche prétendant que les intervalles de contrainte où se manifestent ces phénomènes de blocage sont d’autant moins grands que les forces attractives entre particules sont grandes et donc que la contrainte seuil est grande (E. Brown et al. Nature Materials 9, 220 (2010)). Nos premiers résultats semblent en désaccord avec ces conclusions : en effet deux fluidifiants, l’un à base de polymétacrylate et l’autre comportant des phosphonates, donnent sur les mêmes particules de carbonate de calcium, des contraintes seuil très voisines mais des taux de cisaillement critique très différents.