Suspensions concentrées : vers des matériaux plus fluides et plus denses – FLUIDIDENSE

Les noirs de carbone sont les nanoparticules les plus utilisées dans les caoutchoucs pour renforcer les pneumatiques. Leur production contribue fortement à la pollution atmosphérique et à l’effet de serre. L’introduction de particules de silice en remplacement partiel des noirs de carbone est donc une avancée écologique majeure. Tout en réduisant fortement l‘empreinte écologique des pneumatiques, ces particules ont permis de diminuer leur résistance au roulement, conduisant à une réduction de consommation en carburant et d’émission de CO2 qui peut atteindre 5%. La production de silice précipitée pour les « pneus verts » reste cependant une forte source de gaspillage en eau et en énergie : leur manipulation requiert à ce jour que les particules de silice soient sous forme de suspensions moyennement concentrées, au comportement de fluide visqueux peu complexe, dont l’eau doit être au final séchée. Un substantiel progrès écologique résulterait donc de la possibilité de mettre en forme des suspensions plus concentrées, mais toujours fluides.

L’objectif du projet FLUIDIDENSE est de réaliser des avancées majeures dans la description et la compréhension du comportement des suspensions concentrées, dont les écoulements tendent à se bloquer et à être inhomogènes, et d’apporter des pistes de formulation de suspensions qui soient facilement manipulables. Dans ce vaste domaine de recherche, il apparaît essentiel de se concentrer sur un matériau dont on maîtrise la physicochimie de surface, et d’étudier en profondeur tous les aspects de son comportement en lien avec des interactions interparticulaires à caractériser explicitement. Au vu de l’application, nous focaliserons l’étude sur les suspensions de particules de silice amorphe, qu’on synthétisera en faisant varier leur forme, leur degré d’agrégation, et leurs propriétés de surface. L’originalité et la force de l’approche envisagée reposent sur une étude portant sur les mêmes systèmes et utilisant un ensemble de techniques de pointe permettant de caractériser localement les écoulements de suspensions de silice (profils de vitesse par vélocimétrie ultrasonore, lien structure/propriétés par rhéoSAXS, développement d’inhomogénéités de concentration par radiographie X), ainsi que leurs propriétés microscopiques (mesures originales de forces normales et tangentielles en solution) et morphologiques (SAXS, MEB). Pour l’ensemble des particules étudiées, on disposera ainsi d’une caractérisation multi-échelle de leur comportement, dont la vision synthétique offrira une clarification des conditions dans lesquelles des suspensions denses, fluides et homogènes peuvent être formulées.

La caractérisation en profondeur du comportement des suspensions de silice permettra de proposer des pistes de modification du procédé au partenaire industriel. La compréhension du lien entre leur comportement et les propriétés physicochimiques des particules donnera quant à elle des leviers réalistes de formulation de suspensions plus denses mais toujours fluides. Ce projet contribuera ainsi à la transition vers une “Usine verte” à travers l’économie d’énergie et d’eau et la diminution de la pollution atmosphérique qui résulteront de l’amélioration du procédé et de la diminution escomptée de l’utilisation de noirs de carbone.