Dynamique des gels physiques en relation avec la synérèse

Physical gels dynamic and syneresis phenomena

• Auteur / Autrice : Said Elmarhoum
• Direction : Komla Guéwoul-Guèdè Ako, Yahia Rharbi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides énergétique, procédés
• Date : Soutenance le 16/01/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire rhéologie et procédés (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Hugues Bodiguel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Agnès Rolland-Sabaté, Aurélien Forget
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Laurent Billon, Sylvie Turgeon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydrocolloïdes

Polymères -- Rhéologie

Mots clés libres

Rhéologie

Synérèse

Hydrogels

Instabilité thermodynamique

Hydrocolloïdes

Thermodynamic instability

Hydrogels

Rheology

Hydrocolloids

Syneresis

Résumé

La stabilité thermodynamique des polymères en solutions tels qu'elle est décrite par la théorie de Flory-Huggins est déterminée par les facteurs d'équilibre tels que la température et la concentration en polymère, y compris les éventuels contre ions du polymère et la présence de solutés caractérisant la qualité du solvant [1, 2]. En tant que tel, l'équilibre des solutions de polymère ou des suspensions de particules implique des sélections appropriées de ces facteurs d'équilibre. Définir les conditions physico-chimiques adéquates pour obtenir un temps d'équilibre long et adapté représente une des principales difficultés pour formuler les fluides à viscosité contrôlé, les émulsions, les gels, etc. Si le réglage de ces conditions ne se fait pas correctement, cela conduira à un équilibre multi-phasique ou métastable. Dans ce dernier cas, des effets de fluctuation de température et de concentration peuvent conduire à une démixtion partielle ou totale. La séparation macroscopique de phase ou partielle peut prendre plusieurs heures ou plusieurs jours pour se réaliser, impliquant généralement des mécanismes d'agrégation, si les suspensions sont constituées de composés attractifs. Ces mécanismes peuvent conduire à l'émergence d'un réseau d'agrégats interconnectés dont l'élasticité peut geler les phénomènes de séparation de phase [3]. Au moment de la formation du gel, la suspension présente des propriétés d'écoulement à la fois solides et fluides. La suspension ne peut s'écouler que lorsqu'une contrainte suffisamment importante, supérieure au seuil, est appliquée. De nombreuses applications industrielles tirent profit de cet état de suspension intermédiaire et particulier appelé gel pour relever les défis de la société à tel point que les composés permettant cela sont devenus la cible de nombreuses productions industrielles. Généralement, en ingénierie alimentaire où les biopolymères sont utilisés comme gélifiants, en biotechnologie où ces gels servent de milieux de croissance pour les micro-organismes ou comme des moules poreux pour l'ingénierie tissulaire mais aussi, comme des matériaux d'impression 3D ou de fabrication de films. Comme mentionné, cet état intermédiaire des suspensions, réseau d'agrégats interconnectés, est hors équilibre et prêt à s'effondrer [3].

The thermodynamic stability of polymers in solution as described by the Flory-Huggins theory is determined by equilibrium factors such as temperature and polymer concentration, including possible counter ions in the polymer and the presence of solutes characterizing the quality of the solvent [1, 2]. As such, the equilibrium of polymer solutions or particle suspensions involves appropriate selections of these equilibrium factors. Defining the proper physicochemical conditions to achieve a long and suitable equilibrium time represents one of the main difficulties in formulating viscosity controlled fluids, emulsions, gels, etc. If these conditions are not set correctly, it will lead to a multiphase or metastable equilibrium. In the latter case, temperature and concentration fluctuation effects can lead to partial or total demixing. Macroscopic or partial phase separation may take several hours or days to occur, usually involving aggregation mechanisms, if the suspensions are composed of attractive compounds. These mechanisms can lead to the emergence of a network of interconnected aggregates whose elasticity can freeze the phase separation phenomena [3]. At the time of gel formation, the suspension exhibits both solid and fluid flow properties. The suspension can only flow when a sufficiently large stress, greater than the threshold, is applied. Many industrial applications take advantage of this particular intermediate state of suspension called gel to address societal challenges to the extent that compounds enabling this have become the focus of many industrial productions. Typically, in food engineering where biopolymers are used as gelling agents, in biotechnology where these gels serve as growth media for microorganisms or as porous molds for tissue engineering but also, as materials for 3D printing or film making. As mentioned, this intermediate state of suspensions, a network of interconnected aggregates, is out of equilibrium and ready to collapse [3].