Rhéologie non-linéaire de gels polymères associatifs à interactions modulables

Non-linear rheology of polymer gels with tunable associations

• Auteur / Autrice : Arnaud Chaub
• Direction : Michel Cloitre
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique et chimie des matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2020
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Chimie moléculaire, macromoléculaire, et matériaux
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la Ville de Paris (1882-....)

Mots clés

Mots clés libres

Polyélectrolytes associatifs

Gels physiques

Transition sol-gel

Fluide à seuil d'écoulement

Bandes de cisaillement transitoires

Superposition temps-hydrophobie

Formulation of gels

Molecular rheology

Flow properties

Solutions and melts

Résumé

Les gels dynamiques suscitent de grands espoirs dans les applications de haute technologie comme l'impression additive de tissus, les gels injectables, la récupération assistée du pétrole. A la différence des gels chimiques réticulés de façon permanente, les gels dynamiques sont des réseaux transitoires obtenus par association temporaire de chaînes polymères portant des groupes fonctionnels. La durée de vie des associations dépend de l'interaction entre les groupes fonctionnels (hydrophobe, métal-ligand, covalente réversible). Elle peut être modulée par un ou plusieurs paramètres de contrôle externes comme la température, le pH, la présence d'un compétiteur. Les propriétés rhéologiques linéaires ont fait l'objet d'études abouties mais les propriétés d'écoulement à grandes déformations, justement celles qui sont pertinentes dans la mise en œuvre, demeurent incomprises. Pourtant des phénomènes fascinants ont été observés : bandes de cisaillement, fractures locales suivies d'autoréparation, glissement, perte de cohésion, instabilités élastiques. Leur compréhension reste embryonnaire. Le défi ici est de relier la force et la dynamique des interactions locales aux propriétés d'écoulement sous grande déformation. Nous aborderons cette problématique en partant de deux classes de gels dynamiques à notre disposition, qui sont obtenus par association de chaînes polymères par des liaisons hydrophobes ou des liaisons covalentes réversibles. La force des interactions est modulée par la longueur et l'architecture des groupes alkyl ou la constante d'équilibre des liaisons covalentes. Les relations micro-macro seront établies en mesurant conjointement les propriétés rhéologiques non linéaires et les profils de déformation dans un dispositif original de rhéomicroscopie à fluorescence construit et disponible au laboratoire. Elles seront complétées par des études structurales par diffusion de rayonnement sous écoulement. Plusieurs écoulements rhéométriques ou millifluidiques conduisant à des sollicitations de cisaillement ou élongationnelles seront mises en œuvre et exploitées. Les résultats seront interprétés dans le cadre de modèles prédictifs construits en collaboration avec des théoriciens de la matière molle. En fonction des progrès accomplis, une transposition et une généralisation des méthodes et des résultats à des polymères associatifs en fondu sera envisagée.

Dynamic gels are a milestone in the development of state-of-the-art technological applications such as additive printing of tissues, injectable gels or assisted oil recovery. Dynamic gels are transient networks obtained by the temporary association of polymer chains bearing functional groups, unlike chemical gels for which the network is permanently reticulated. The lifetime of temporary associations in dynamic gels depends on the interaction between functional groups (hydrophobic, metal-ligand binding, reversible covalent association). The strength of interaction is controlled by external parameters such as temperature, pH or the presence of a competitor. Many studies focus on the linear rheological properties of dynamic gels, but little is understood about their properties when submitted to high deformation, which are crucial for many applications. Interesting phenomena were observed such as shear banding, local fracturing followed by self-healing, wall-slipping, lost of cohesion or elastic instabilities. The idea of the thesis is to understand the link between the strength and dynamics of interaction and the flow properties under high deformation. We will work with two types of dynamic gels: associations of polymer chains based on hydrophobic interactions and based on reversible covalent bonds. The strength of interactions will either be controlled by the length and architecture of the hydrophobic alkyl groups or by the equilibrium constant of the covalent bonds. A multi-scale study will be conducted to understand the behavior of the gels by measuring the non-linear rheological properties and velocity profiles in an innovative setup of fluorescent rheomicroscopy, built and available at our laboratory. Structural studies of the gels will complete the above-mentioned experiments and be conducted by ray-scattering under flow. Dynamic gels will be studied under shear and elongational deformations. The results will be interpreted and compared to predictive models elaborated by collaborations with soft matter theoreticians. Depending of the progress of this work, we will try to generalize and transpose the methods and results from dynamic gels in solutions to associative polymers in the melt.