Étude et modélisation du comportement rhéologique de suspensions de fibres rigides en régime non-dilué

Investigation and modeling of the rheological behavior of rigid fiber suspensions in non dilute regime

• Auteur / Autrice : Julien Férec
• Direction : Pierre Jean Carreau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie chimique
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Lorient en cotutelle avec École polytechnique de Montréal

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fokker-Planck, Équation de

Suspensions (chimie)

Polymères -- Rhéologie

Plasticité

Matières plastiques renforcées à la fibre de verre

Mots clés libres

Grandes déformations oscillatoires

Orientation des fibres

Intéraction fibre-fibre

Résumé

De nombreuses recherches se sont intéressées aux comportements des suspensions de fibres en cisaillement simple (transitoire et permanent) et dynamique (petites déformations). Cependant le comportement élongationnel et la connaissance de leurs propriétés rhéologiques en grandes déformations oscillatoires sont d’un grand intérêt. Les résultats oscillatoires en grandes déformations montrent que pour des polypropylènes renforcés de fibres de verre courtes, l’amplitude de la contrainte en cisaillement diminue graduellement. Un comportement inverse est observé pour une matrice en polybutène. Pour ces deux matrices, les premières différences de contraintes normales sont sensibles aux orientations des fibres. Les observations réalisées en élongation indiquent que la présence des fibres dans un polypropylène augmente sa viscosité. En régime transitoire, différentes orientations initiales des fibres ont été préparées. La dynamique d’orientation des charges provoque un léger rhéoépaississement sous déformation. En régime établi, la viscosité élongationnelle a été comparée par trois appareillages différents. Une méthode basée sur les volumes finis a été utilisée pour résoudre numériquement l’équation de Fokker-Planck pour la fonction de distribution d’orientation. Les résultats sont tels que les temps de calcul sont réduits de façon considérable. Finalement, un modèle rhéologique a été développé où l’attention porte sur une modélisation plus précise des interactions fibre-fibre. Une nouvelle équation d’évolution est proposée où le terme de diffusion est proportionnel au nombre moyen de contacts entre les fibres. Le modèle a été validé par des mesures expérimentales.

Several studies have investigated the behavior of fiber suspensions in simple shear (transient and steady) and oscillatory shear (small deformations) flows. However, the rheological behavior of fiber-filled fluids subjected to elongational and large amplitude oscillatory shear flows may be of great interest. Results from large amplitude oscillatory shear flow showed that for short glass fiber reinforced polypropylene the shear stress amplitude decreased gradually. An opposite behavior was observed for a reinforced polybutene matrix. The primary normal stress differences of the two matrices are sensitive to fiber orientation. The observations carried out in elongational flow indicated that the presence of fibers in polypropylene increased its viscosity. For transient tests, various initial fiber orientations were prepared. The fiber orientation dynamics caused a slight strain hardening behavior. The steady state elongational viscosity data obtained using three different equipments have been compared. A finite volume method has been used to solve numerically the Fokker-Planck equation for the probability distribution function. The results are such that the computational time is considerably reduced. The last point tackled in this work concerns the development of a rheological model with a more precise modeling of fiber-fiber interactions. A new time evolution equation is proposed, where the diffusion term is proportional to the average number of contacts between fibers. The model is validated using experimental data.