Étude de la formation des hydrogels dans les dispersions de noir de carbone et de carboxyméthylcellulose : perspectives rhéologiques, électriques et structurelles

Understanding Hydrogel Formation in Dispersions of Carbon black and Carboxymethylcellulose : Rheological, Electrical and Structural Perspectives

• Auteur / Autrice : Gauthier Legrand
• Direction : Thibaut Divoux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 05/07/2024
• Etablissement(s) : Lyon, École normale supérieure
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (Lyon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique (Lyon ; 1988-....)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Coussot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thibaut Divoux, Philippe Coussot, Anne-Caroline Genix, Jan Vermant, Annie Colin, Ruth Cardinaels, Sébastien Manneville
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anne-Caroline Genix, Jan Vermant

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rhéologie

Noir de carbone

Hydrocolloïdes

Mots clés libres

Hydrogel

Noir de carbone

Carboxymethylcellulose

Rhéologie

Dielectrique

Diffraction aux petits angles

Hydrogel

Carbon Black

Carboxymethylcellulose

Rheology

Dielectrics

Small Angle Scattering

Résumé

Les dispersions à base de colloïdes et de polymères permettent la conception de nombreux matériaux notamment pour le stockage d’énergie. Cette thèse concerne les dispersions aqueuses de particules de suie hydrophobes, du noir de carbone (CB), à l’aide d’un sel de sodium de carboxyméthylcellulose (CMC). La CMC est un polymère chargé, semi-flexible et hydrosoluble qui présente des régions hydrophobes le long de sa chaîne et forme ainsi des liaisons physiques avec les particules de CB. Nous montrons qu’il est possible de former des hydrogels de CB-CMC, c’est-à-dire des solides viscoélastiques sur une large gamme de concentrations en CB et en CMC. Ces hydrogels présentent deux types de comportements radicalement différents de part et d’autre d’un ratio massique critique entre CMC et CB. En-deçà de ce ratio critique, les colloïdes de CB forment un réseau percolé stabilisé par la CMC, alors qu’au-delà de ce ratio, les colloïdes de CB servent de réticulants physiques dans la matrice de CMC. Nous rapportons ici une image détaillée de ces deux types de structures par le biais de mesures rhéologiques linéaires et non-linéaires, couplées à des mesures diélectriques et structurales (diffusion de rayons X).Enfin, pour élucider le rôle singulier de la CMC dans les hydrogels CB-CMC, nous avons étudié un système complémentaire constitué de suspensions acidifiées de CMC qui gélifient du fait d’interactions hydrophobes. Ces études mettent à profit deux techniques complémentaires, la relaxométrie et la diffusion de neutron, qui offrent un éclairage original sur le rôle du polymère au sein de ces gels composites.

Dispersions based on colloids and polymers enable the design of numerous materials, particularly for energy storage. This thesis concerns aqueous dispersions of hydrophobic soot particles, carbon black (CB), using a sodium salt of carboxymethylcellulose (CMC). CMC is a charged, semi-flexible, water-soluble polymer with hydrophobic regions along its chain, forming physical bonds with the CB particles. We show that it is possible to form CB-CMC hydrogels, i.e., viscoelastic solids over a wide range of CB and CMC concentrations. These hydrogels exhibit two radically different types of behavior on either side of a critical mass ratio between CMC and CB. Below this critical ratio, CB colloids form a percolated network stabilized by CMC, whereas, above this ratio, CB colloids act as physical cross-linkers in the CMC matrix. We report here a detailed picture of these two types of structures through linear and non-linear rheological measurements, coupled with dielectric and structural (X-ray scattering) measurements.Finally, to elucidate the singular role of CMC within CB-CMC hydrogels, we studied a complementary system consisting of acidified suspensions of CMC that form a gel due to hydrophobic interactions. These studies make use of two complementary techniques, relaxometry and neutron scattering, to shed new light on the role of the polymer within these composite gels.