Approche multidisciplinaire pour la construction d'un outil prédictif en rhéologie des suspensions non-Browniennes – AMARheo

Les progrès récents en rhéologie des suspensions non-browniennes (SNB) concentrées ont montré le rôle central des forces de contact solide entre particules et en particulier du frottement dans la dynamique des suspensions. Ces forces de contact sont des candidats sérieux pour expliquer les comportements non-newtoniens observés dans les SNB. Il a déjà été montré que le rhéoépaississement discontinu observé dans certaines SNB pouvait s’expliquer par une transition d’un écoulement non-frictionnel vers un écoulement où les contacts frottants entre particules sont mobilisés. La rhéofluidification présentée par la plupart des SNB concentrées a été beaucoup moins étudiée. Nous pensons qu’une diminution du coefficient de friction solide quand la force de contact entre particules (ou la contrainte de cisaillement) augmente pourrait en être à l’origine. Notons qu’une telle diminution du coefficient de friction est attendue dans le cas d’un contact mettant en jeu une ou quelques aspérités. Par ailleurs, la rhéofluidification pourrait aussi être expliquée par des forces d’adhésion résiduelles. Enfin, on s’attend à ce que la rigidité des particules modifie les contacts entre particules mais son effet sur la rhéologie des SNB n’a jamais été étudié.
Le projet AMARhéo propose d’explorer en détail le rôle des forces de contact (adhésion et friction) entre particules dans les propriétés d’écoulement des SNB concentrées de façon à bâtir un cadre général pour la rhéologie des SNB et à construire un outil numérique qui permette de prédire quantitativement les propriétés rhéologiques des SNB.
Notre méthodologie consiste à synthétiser des particules de polymère réticulé (µP) de quelques dizaines de microns par copolymérisation et à greffer différentes brosses de polymères à leurs surfaces. Les techniques de chimie Clic permettront un contrôle précis de la taille et des propriétés de surface et de volume des µPs. Leurs propriétés et les lois de contact seront caractérisées et injectées dans un code de simulation de rhéologie des SNB. Les résultats numériques seront validés par des expériences de rhéométrie.
Le projet AMARheo est coordonné par le laboratoire InPhyNi (Nice) et implique 2 laboratoires partenaires: IMP (Lyon) et LOMA (Bordeaux). L’IMP synthétisera 2 types de µPs : les premières seront des µPs de PMMA (haute Tg) dont les propriétés de surface seront modifiées par greffage de brosses polymères de plusieurs natures chimiques (PEG, PDMS et PAF) avec différentes densités de greffage. Pour explorer l'effet de la rigidité des particules sur la rhéologie des SNB, des µPs de PBuA à faible Tg seront également synthétisées.
Les interactions de contact entre particules et les interactions fluide/particule seront déterminées par des expériences en AFM menées au LOMA. Ces expériences établiront les lois de contact (dépendance du coefficient de friction avec la force normale, mesure de la force d’adhésion) et détermineront si il existe un glissement du fluide à la surface des particules (longueur de glissement).
Les lois de contact microscopique seront injectées dans un code de simulation numérique basé sur la « Force Coupling Method » et développé à InPhyNi qui prend en compte les interactions hydrodynamiques à longue et à courte portée ainsi que les interactions de contact.
Pour chaque sorte de suspensions de µPs synthétisées par l’IMP, InPhyNi conduira une étude rhéologique exhaustive pour déterminer la dépendance de la viscosité, des différences de contraintes normales et des contraintes normales particulaires avec la fraction volumique de particules. Les résultats expérimentaux seront confrontés aux résultats numériques pour valider les simulations numériques ou bien les améliorer en cas de désaccord. Enfin, des expériences de resuspension seront conduites car elles exacerbent le rôle des forces de contact et permettront encore une fois d’évaluer comment la modification des propriétés de surface des µPs agissent sur les contraintes particulaires.