Propriétés d'écoulement de suspensions concentrées de particules de PVC et leur lien avec la physico-chimie du système

Flow properties of PVC-particles concentrated suspensions and their relation to physico-chemistry of the system

• Auteur / Autrice : Guillaume Chatté
• Direction : François Lequeux, Nadège Pantoustier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physico-chimie
• Date : Soutenance le 18/09/2017
• Etablissement(s) : Paris Sciences et Lettres (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Sciences et Ingénierie de la Matière Molle - PSL Research University - Sciences et Ingénierie de la Matière Molle / SIMM
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la Ville de Paris (1882-....)
• Jury : Président / Présidente : Pascal Hebraud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Lequeux, Nadège Pantoustier, Evelyne Kolb
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Elisabeth Guazzelli, Élisabeth Lemaire

Mots clés

Mots clés libres

Suspensions concentrées

Rheologie

Rhéoépaississement

Pvc

Différences de contraintes normales

Instabilités d'écoulement

Concentrated suspensions

Rheology

Shear-Thickening

Pvc

Normal stress differences

Flow instability

Résumé

Nous étudions des suspensions concentrées de particules non-colloïdales de PVC. Ces suspensions, appelées plastisols, sont utilisées principalement pour la fabrication de revêtements de sols.Elles présentent notamment un phénomène de rhéoépaississement (hausse de la viscosité en cisaillant). Nous montrons que cela provient des forces de frottement entre particules. En effet, à l’aide d’un microscope à force atomique, nous sommes pour la 1ère fois capable de relier directement la contrainte macroscopique d’apparition du rhéo-épaississement à la contrainte microscopique d’apparition de la friction solide entre particules.Nous caractérisons la viscosité de la suspension jusqu’à 100 000 s-1 et nous observons qu’une plus grande polydispersité limite le rhéoépaississement. Les différences de contraintes normales N1 et N2 sont aussi mesurées. Par ailleurs, des mesures à l’aide de rayons X ou d’ultrasons ne montrent aucune migration de particules sous cisaillement.Nous montrons également que la géométrie a un fort impact sur l’écoulement de la suspension concentrée. Un entrefer plus petit provoque une baisse de la viscosité et retarde le rhéoépaississement. Une approche non-locale permet de rationaliser les résultats.La substitution de particules de PVC par des particules de CaCO3 modifie profondément la viscosité et la densité d’empilement maximum. Nous développons alors des modèles simples pour modéliser ces effets. En outre, nous mesurons l’impact sur la rhéologie d’un éventuel surfactant à la surface des particules.Nous avons pu finalement étudier des instabilités observées en étalant ces suspensions à haute vitesse. Une instabilité de surface est d’abord observée. A plus haute vitesse, un dépôt se forme en aval sur le couteau. Nous corrélons ces instabilités avec l’apparition de différences de contraintes normales.

Highly concentrated and non-colloidal suspensions consisting of micrometric PVC particles dispersed in a liquid phase, were studied. These suspensions, called plastisol, are mostly used in vinyl flooring manufacture.A key feature of these suspensions is shear-thickening, since viscosity greatly increases as a function of the applied shear rate. This phenomenon is explained as being related to frictional forces between particles. Indeed, using an Atomic Force Microscope, we were able, for the first time, to link the macroscopic stress, at which shear-thickening appears, with the microscopic stress needed to enter a frictional regime.We then characterize the suspension viscosity up to 100 000 s-1. We observed that shear thickening is lowered with a more polydisperse powder. Large normal stress differences N1 and N2 were also measured, along with shear thickening. In addition, using both X-ray radiography and ultrasound, no particle migration in the sheared suspension could be detected.We also found that geometry plays a major role in the features of the flow of concentrated suspensions. For a smaller gap, the viscosity is lower and shear-thickening is pushed to higher shear rates. A non-local approach accounts for our experimental results.Replacing a number of PVC particles with CaCO3 particles changes both the viscosity and the maximum packing fraction quite dramatically. For both of these, we developed simple models that matched quite well with the experimental data. Moreover, we elucidate the rheological changes resulting from adding surfactant at the surface of each particle type.Finally, we investigated some instabilities observed while coating at high speed. At a moderate speed, a ribbing phenomenon appears. At a higher speed, a deposit is formed on the knife (downstream). The appearance of these instabilities correlates with normal stress differences