Structure et rhéologie de colloïdes anisotropes

Structure and rheology of anisotropic colloids

• Auteur / Autrice : Vincent Labalette
• Direction : Yannick Hallez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 24/07/2020
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie chimique (Toulouse ; 1992-....)
• Jury : Président / Présidente : Éric Climent
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yannick Hallez, Hugues Bodiguel, Emanuela Bianchi, Jeffrey F. Morris, Seto Ryohei
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hugues Bodiguel, Emanuela Bianchi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Anisotropie

Colloïdes

Rhéologie

Mots clés libres

Rhéologie

Colloïdes anisotropes

Dynamique stokésienne

Simulation numérique

Rheology

Anisotropic colloids

Stokesian dynamics

Numerical simulation

Résumé

Les argiles colloïdalles sont des phillosilicates d’hydrure de magnésium (ou d’aluminium) pouvant, de part des substitutions isomorphiques, acquérir une charge négative structurale compensée par la présence de cations au niveau de l’espace interfoliaire ou en surface même du colloïde. Ces nanoparticules ont une forme de palet avec un rapport de forme pouvant varier entre 20 et 100. Lors de leur mise en suspension, les colloïdes s’hydratent provoquant ainsi leur gonflement et le relargage des cations. Les groupements hydroxyles présents en bordure des argiles sont extrêmement dépendants du pH et peuvent ainsi générer une charge de bord positive à bas pH, ou négative à pH élevé. Ainsi les argiles colloïdales en suspension présentent à la fois une anisotropie de forme et de charge. Ces caractéristiques confèrent aux dispersions d’argile des propriétés optiques (argiles ocreuses), mécaniques (fabrication de tuile, enduit) ou même nettoyantes (pouvoir dégraissant) intéressantes. Bien qu’étudié depuis de nombreuses années, le comportement des argiles en suspension reste controversé. C’est dans ce contexte que s’inscrit cette thèse dont l’objectif est de proposer un modèle de simulation « gros-grains » de particules présentant une anisotropie à la fois structurale et de charge et ainsi d’étudier le comportement à l’équilibre et hors équilibre d’une suspension de particules anisotropes. Contrairement au modèle Monte-Carlo habituellement utilisé pour modéliser le comportement à l’équilibre d’une suspension de particules anisotropes, le modèle présenté ici tient compte des interactions hydrodynamiques et permet ainsi d’étudier la dynamique du système, que ce soit lors de la formation de structures à l’équilibre ou suite à l’application de force de cisaillement. Les particules sont modélisées à l’aide d’agrégats de sphères liées entre elles par des ressorts, ou contraintes à un mouvement de corps rigide via les équations de la mécanique du solide. La dynamique des agrégats est étudiée à l’aide du code de simulations de type Accelerated Stokesian Dynamics (ASD) et les interactions électrostatiques modélisées suivant le principe d’additivité de paires avec un potentiel de Yukawa. L’implémentation du modèle à « gros-grain » de particules anisotropes dans le code ASD a ainsi permis d’étudier les structures à l’équilibre et sous écoulement de particules présentant des caractéristiques communes avec la Laponite, une smectite de type 2:1 largement étudiée expérimentalement et numériquement dans la littérature. Dans ce manuscrit, des études concernant ces particules anisotropes sont présentées pour différentes fraction volumique et portées d’interactions électrostatiques. La dynamique de formation des structures au repos (Wigner glass, gel, overlapping coin...) ainsi que leurs évolutions sont discutées. Enfin, la réponse rhéologique de ces structures lors de l’application d’un écoulement cisaillant est étudiée, mettant en lumière l’importance du ratio entre les forces électrostatiques et hydrodynamiques au sein de la dynamique du système. Pour des structures initialement percolées, la réponse du stress à la déformation du système dépend de la microstructure initiale aux temps courts, et possède un comportement rhéofluidifiant ainsi qu’une viscosité finale indépendants de la microstructure initiale.

Colloidal clays are hydrous magnesium phyllosilicates (sometimes aluminum), usually bearing a negative structural charge coming from isomorphic substitution compensated by the presence of cations in the basal spacing or on the surface of the colloid. These nanoparticles have a platelet shape with an aspect ratio going from 20 to 100. When immersed in water, clays hydrate and swell, leading to the release of the cations. The hydroxyl group presents on the edge of the particles are sensitive to the pH (titrable sites) resulting in an amphoteric edge charge. At low pH the rim is positively charged and becomes neutral or negative at pH 11. Therefore, suspensions of colloidal clays have both charge and shape anisotropies. Thanks to these features, clay dispersions exhibit interesting optical properties (ochreous clays), mechanical properties (tile manufacturing, surface coating) and even cleaning properties (grease-removing). Although studied for decades, the behavior of colloidal clays remains controversial. In this manuscript, we propose a coarse-grained model to simulate particles with both structural and charge anisotropy. This model allows studying the behavior of colloidal suspensions at equilibrium and under shear flow. Contrary to the Monte-Carlo method usually employed to model the equilibrium behavior of anisotropic particles, the model presented in this thesis takes into account hydrodynamic interactions, allowing the dynamics of the system to be studied. The particles are coarse-grained as clusters of spheres bound by springs or constrained to a rigid body motion thanks to solid mechanics equations. The dynamics of the particles are computed using the Accelerated Stokesian Dynamics code (ASD), and the electrostatic interactions are computed in a pairwise additive fashion with a Yukawa potential. The implementation of this coarse-grained model in the ASD method allows studying the microstructure of anisotropic particles presenting similar features than Laponite, a 2:1 synthetic smectite clay widely studied experimentally and numerically in the literature. Several studies are presented here while varying the volume fraction and the range of electrostatic interactions. The dynamics of formation of the observed structures (Wigner glass, gel, overlapping coin, etc.) and their structural evolution behavior are then discussed. Finally, the rheological response of the different structures to a start-up shear has been studied, highlighting the importance of the ratio between the electrostatic and the hydrodynamic forces. For initially percolated systems, it has been shown that the stress response on the applied strain depends on the initial microstructure at short times, and exhibits shear-thinning and final viscous response independent of the initial structure.