Notre groupe de recherche étudie les propriétés mécaniques et physiques de suspensions colloïdales et de pâtes à l’échelle des particules, depuis le cas idéal de deux « sphères dures » jusqu’à des cas plus complexes, comme les particules en forme de bâtonnets (représentatives des argiles), ou bien du cas de l’addition de surfacants et de polymères interagissant avec les particules. Nous employons à la fois des outils de simulation numérique et des outils expérimentaux comme le dispositif de pinces optiques. Notre recherche se porte également sur l’impression 3d et l’extrudabilité de ces matériaux à l’échelle macroscopique.

Rhéologie et vieillissement de suspensions colloïdales

X. Chateau, J. Goyon-Trohay, A. Lemaître, A. Aubel (PhD), C. Veillon (PhD)

Collaborations : E. Furst (U. Delaware)

Les suspensions denses de particules microniques ont des caractéristiques rhéologiques complexes faisant souvent apparaitre un seuil d’écoulement et un comportement thixotrope dont l’origine microscopique demeure mal comprise. Nous avons mis en évidence que pour des suspensions denses de silice colloïdale dans une solution ionique, la thixotropie mesurée se produit sans modification de la microstructure. À l’aide d’expériences de flexion trois points sur des bâtonnets de particules manipulés avec des pinces optiques, nous avons montré que les contacts entre particules résistent au roulement et que les propriétés mécaniques des contacts (rigidité et résistance) augmentent avec l’âge du contact. Ceci nous a permis de décrire les propriétés macroscopiques à partir des propriétés des contacts en utilisant des fonctions scalaires ne dépendant que de la microstructure de la suspension.

Nous avons ensuite montré qu’un tensioactif non ionique ajouté à la suspension modifie fortement les propriétés de roulement des contacts entre particules et la rhéologie globale de la suspension. La modification des propriétés des contacts est attribuée à l’adsorption du surfactant qui provoque le passage d’un contact  adhésif résistant au roulement à un contact non adhésif. Comme pour la  suspension de silice non adjuvantée, la parfaite concordance entre les résultats de  rhéométrie et ceux des essais réalisés sur des bâtonnets de particules démontre  que les propriétés de contact entre grains contrôlent les propriétés globales de la  suspension. Ces résultats amènent à reconsidérer en profondeur la  compréhension de l’origine des comportements rhéologiques des suspensions  colloïdales denses, ouvrant ainsi la voie à de potentielles avancées dans l’optimisation de leurs formulations.

Crédits : École Nationale des Ponts et Chaussées, et Ingenius, la revue numérique de l’École.

Références

Impression 3d de fluides à seuil

P. Coussot, A. Geffrault (PhD)

Collaboration : H. Bessaies-Bay, N. Roussel (CPDM)

L’impression 3D de fluides à seuil (c’est-à-dire de matériaux capables de s’écouler comme des liquides seulement au-delà d’une contrainte critique) ouvre de nouvelles possibilités dans les domaines de la construction, de l’alimentation ou de la médecine. La technique d’impression habituelle consiste à extruder puis à déposer un filament de fluide à seuil sur la couche précédente. Une difficulté majeure est que, lors du processus de dépôt, certaines instabilités peuvent apparaître et avoir un impact catastrophique sur la structure 3D finale. Nous avons montré que ces  instabilités peuvent être prédites en fonction des propriétés du matériau et/ou des paramètres d’impression. Nous avons ainsi étudié le dépôt d’un filament à partir d’essais systématiques avec un fluide à seuil modèle, faisant varier la valeur du seuil du matériau, la distance entre la buse et le substrat, la vitesse d’extrusion, le diamètre de la buse et la vitesse de déplacement de la buse. Nous montrons ainsi qu’une diversité de motifs apparaît : des gouttes, des lignes discontinues, des lignes droites, des méandres, des boucles alternées ou des boucles translatées. Nous avons ensuite montré que les transitions (courbes frontières) entre les différents régimes peuvent être prédites par des arguments théoriques, conduisant à proposer un diagramme générique prédisant les  modèles observés en fonction de nombres sans dimension des différents paramètres du système. Dans ce cadre nous avons notamment plus précisément étudié la rupture de filaments en gouttes de fluide à seuil (allongées). Nous avons décrit en détail le processus conduisant à la formation d’une zone liquide autour du pincement, ce qui nous a permis d’une part de mettre au point une technique originale de mesure du comportement rhéologique en élongation des fluides à seuil, et une technique de détermination du seuil de contrainte à partir de la mesure de la masse des gouttes.

Diagramme de phase — et de stabilité — de l’impression d’un filament de pâte de kaolin (seuil en écoulement de 300 Pa) en fonction de la vitesse d’extrusion Ve et de la hauteur d’impression (tête d’impression / substrat). La vitesse de déplacement de la tête d’impression est fixée à 1 cm/s.

Références

• Printing by yield stress fluid shaping, A. Geffrault, H. Bessaies-Bey, N. Roussel, P. Coussot, Additive Manufacturing 75, 103725 (2023)
• Instant yield stress measurement from falling drop size: The “syringe test”, A. Geffrault, H. Bessaies-Bey, N. Roussel, P. Coussot, Journal of Rheology 67, 305-314 (2023)

Méthodes numériques pour les suspensions colloïdales

A. Lemaître, F. Puosi, D. Richard (Postdoc), P. Sanchez-Moreno Royer (PhD)

Nombre de matériaux du génie civil et de l’environnement sont des pâtes colloïdales denses, impliquant des particules de formes variées, de tailles allant de quelques dizaines de nanomètres à quelques microns. Malgré les énormes efforts de recherche entrepris pour maîtriser leur formulation et leur mise en œuvre, la connaissance des mécanismes physiques qui contrôlent les interactions interparticulaires reste très limitée. La simulation numérique discrète est un outil indispensable pour identifier les mécanismes physiques pertinents et guider l’interprétation d’expériences. Le travail entrepris depuis l’arrivée de F. Puosi (décembre 2022) consiste à développer des modèles numériques capables de prendre en compte la complexité et la richesse des interactions entre les particules, afin de comprendre les mécanismes physiques qui, à l’échelle des particules, déterminent le comportement macroscopique de ces systèmes. Nous nous  intéressons tout particulièrement à des suspensions de sphères adhésives, ainsi qu’à la construction de modèles numériques d’argiles à  l’échelle des plaquettes.

Simulation numérique du vieillissement d’une suspension colloïdale adhésive

Références