Suspensions rhéo-épaississantes : des outils innovants pour une nouvelle hydrodynamique – ScienceFriction

Le rhéo-épaississement a lieu dans les suspensions dont la viscosité augmente dramatiquement, parfois de plusieurs ordres de grandeur, lorsque le taux de cisaillement imposé dépasse une valeur critique. Ce phénomène, très problématique dans certains processus industriels (blocage de pompe, détérioration des pâles de mélangeurs) peut aussi être très utile pour certaines applications technologiques (armures souples, les protection sportives, bétons modernes). L’origine de ce phénomène est longtemps restée obscure, cependant, des prédictions théoriques, validées par des simulations numériques et des expériences récentes, fournissent enfin un scénario cohérent pour expliquer cette transition. L’idée est que le rhéo-épaississement peut être induit dans les suspensions en introduisant une force répulsive entre les particules, par exemple en couvrant leurs surfaces avec un polymère choisi. A faible taux de cisaillement, cette force répulsive empêche les grains d’entrer en contact; la suspension coule alors facilement comme si les particules avait un coefficient de friction nul. En revanche, à fort taux de cisaillement, la force répulsive est vaincue et les particules, poussées au contact solide, produisent un milieu fortement dissipatif: la suspension se transforme soudainement en solide. Avec ce nouveau paradigme, il est pour la première fois possible d’établir les lois constitutives et de construire une hydrodynamique des suspensions rhéo-épaississantes. Ces objectifs constituent les lignes directrices du projet ScienceFriction.

Pour atteindre ces objectifs, il est nécessaire d’accéder au comportement frictionnel de ces suspensions composées de particules de taille micro-métrique et où les contacts et les interactions colloïdales jouent simultanément un rôle majeur. Cette information, cruciale pour caractériser ces suspensions qui subissent une transition frictionnelle, est cependant inaccessible aux méthodes rhéologiques conventionnelles. La base de notre projet sera donc le développement de nouveaux outils rhéologiques (numériques et expérimentaux) permettant de caractériser le comportement frictionnel de ces suspensions proche du jamming à l’aide d’une approche de type pression-imposée (WP1). Nous utiliserons ensuite ces outils afin d’établir les lois constitutives en régime stationnaire et instationnaire (WP2). Finalement, nous appliquerons ces lois, au-delà de la rhéométrie, pour décrire l’écoulement et l’émergence d’instabilités dans des configurations hydrodynamiques d'intérêts (plan incliné, Poiseuille etc..). Ces problématiques, bien qu’encore largement inexplorées, sont néanmoins critiques pour un grand nombre d’applications industrielles (WP3).

Une caractéristique du projet ScienceFriction est que l’on étudiera des suspensions modèles mais aussi des suspensions industrielles grâce à notre collaboration avec l’entreprise Française Chryso (P3), leader mondial pour le développement de polymères (superplastifiant) entrant dans la composition des bétons modernes. Contrôler la physico-chimie de surface est depuis longtemps utilisé mais l’approche reste bien souvent empirique. Les récent progrès montrant que le rhéo-épaississement naît de l’effet combiné de la friction et de forces répulsives ouvre à présent des perspectives très prometteuses. Les rhéomètres innovants que nous allons développer devraient permettre de comprendre l'influences des polymères et de leur dosage sur la friction et ainsi stimuler le design de molécules plus efficaces permettant d'améliorer la formulation des bétons modernes.

Pour réaliser ce projet, 4 partenaires sont impliquées: 2 laboratoires Français, IUSTI Marseille (expert en expérimentation sur les écoulements de suspensions) et le LiPHY Grenoble (expert en simulations numériques), 1 laboratoire étranger EPFL Lausanne (expert en théorie du jamming et des suspensions denses) and l’entreprise Chryso (expert en formulation des bétons modernes).