Perles liquides dans une matrice solide : rhéologie et adhésion d'émulsions solides - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

Liquid beads in a solid matrix : Rheology and adhesion of solid emulsions

Perles liquides dans une matrice solide : rhéologie et adhésion d'émulsions solides

Elina Gilbert

Résumé

Solid emulsions, i‧e., systems consisting in liquid droplets dispersed in a solid continuous phase, have various applications in many fields of physics. The aim of this work is to learn more about their mechanical behavior through oscillatory rheology characterization. This characterization allows for the simultaneous study of the elastic response and the dissipative effects in the material. We first describe how to generate solid emulsions made with two model materials: a silicone elastomer that is liquid during the generation then crosslinked, and polyethylene glycol (PEG), which is a Newtonian liquid polymer at room temperature. We compare two generation methods, microfluidics and breakup under shear. Microfluidics allow to generate emulsion with a controlled droplet size, but at a fixed volume fraction. On the other hand, breakup under shear allows to generate emulsions with a well-controlled volume fraction. However, the distribution of droplet sizes is large, and the start of a phase inversion for volume fractions higher than 0.6 can be observed. Once the emulsions are generated, their rheology can be studied. We characterize the samples at different volume fractions with frequency sweeps in a double plate configuration. We show the importance of the elastocapillary number CaEl, which compares the effects of continuous phase elasticity to drop capillarity, by changing either the elastic response on the continuous phase or the droplet size. We observe that when CaEl ≈ 1, the storage modulus G′, corresponding to the elastic response, and the loss modulus G′′, characterizing the dissipations, show a decoupled behavior when the volume fraction increases. Indeed, the storage modulus is constant for Φ≤0.4 whereas the loss modulus increases. We study in depths the viscoelastic behavior of our solid emulsions, using fractional rheology models inspired by the linear Kelvin-Voigt model. For all of our samples, we observe two asymptotic power-law behaviors. At high frequencies in G'' we observe a power-law of exponent 0.4, which is associated to the viscoelastic behavior of the continuous phase. In G′ and at low frequencies in G′′, we observe a power-law with an exponent lower than 0.1, due to the inclusion of droplets. This low exponent hints at the importance of capillary effects due to the droplets in the response of the composite. Finally, we try to build a master-curve out of the moduli. Finally, we study the influence of included viscous dissipations in a viscoelastic solid on its adhesive properties. We measure the adhesive energy of different solid emulsions through compression-traction tensile tests, using both a flat probe and a spherical one. We show that the volume fraction seems to have little influence over the adhesive energy compared to the droplet radius. We confirm previous findings of a maximum of adhesion energy for a droplet radius of about 1 mm. This work sheds light on the mechanisms by which viscous droplets introduce dissipation in an elastomeric matrix. Understanding the complex viscoelastic behavior of such systems can allow us to design materials with specific adhesive and rheological properties.
Les émulsions solides, c'est-à-dire les systèmes constitués d'une dispersion de gouttelettes liquides encapsulées dans une phase continue solide, ont de multiples applications dans différents domaines de la physique. L'objectif de ce travail de thèse est d'éclairer leur comportement mécanique par des études en rhéologie oscillatoire, qui permettent de prendre en compte à la fois la réponse élastique et les effets dissipatifs du système. Dans un premier temps, nous détaillons comment générer des émulsions solides composées de deux matériaux « modèles », un élastomère de silicone, liquide lors de la génération puis réticulé, et le polyéthylène glycol (PEG), qui est un polymère liquide à température ambiante, à comportement newtonien. Nous comparons deux grandes méthodes : la microfluidique et la rupture sous cisaillement. La microfluidique nous permet de générer des émulsions de taille de goutte contrôlée, mais à fraction volumique fixée. La rupture sous cisaillement en revanche nous permet de générer des émulsions à fraction volumique contrôlée, mais on observe distribution de taille de gouttes larges, ainsi que les indices d'une inversion de phase pour les fractions volumiques Φ≥0,6. Une fois les émulsions générées, on peut étudier leur rhéologie. Les échantillons sont caractérisés en balayage en fréquences, en configuration plan-plan, pour différentes fractions volumiques. On montre l'importance du nombre élastocapillaire CaEl, qui compare l'élasticité de la phase continue à la pression capillaire dans les gouttes, en faisant varier l'élasticité de la phase continue ou la taille des gouttes. On montre que lorsque CaEl ≈ 1, le module de stockage G′, qui caractérise l'élasticité du matériau, et le module de perte G'', qui caractérise les dissipations, évoluent de manière décorrélée lorsque la fraction volumique augmente : le module de stockage reste constant pour Φ≤0,4 et le module de perte augmente. On étudie en détail la viscoélasticité du matériau, en utilisant des modèles de rhéologie fractionnaire inspirés du modèle linéaire de Kelvin-Voigt. Pour toutes les émulsions solides, on observe un comportement à deux asymptotes en loi de puissance, une asymptote d'exposant 0,4 à haute fréquence en G'' associée à la viscoélasticité de la phase continue, et une asymptote d'exposant inférieur à 0,1 présente en G' et G'' à basses fréquences, associée à l'inclusion de gouttelettes. Cet exposant faible témoigne de l'importance des effets capillaires causés par la présence de gouttes dans le composite. Enfin, on a tenté de superposer les résultats en fraction volumique en une courbe maitresse. Dans un dernier temps, on cherche à voir si l'inclusion de dissipations visqueuses dans un matériau viscoélastique influence ses propriétés adhésives. On mesure l'énergie d'adhésion de différentes émulsions solides par des tests de compression-traction avec une sonde plane et une sonde sphérique. On montre que la fraction volumique a peu d'influence sur le caractère adhésif des émulsions solides. La taille des gouttelettes, elle, semble avoir une forte influence, avec un maximum d'adhésion pour des gouttes de rayon moyen proche de 1 mm. Cette étude permet de mieux comprendre les mécanismes de dissipation visqueuse due à la présence des gouttes dans la matrice élastomère. Une meilleure compréhension de ces systèmes peut permettre de développer des matériaux avec des propriétés adhésives et rhéologiques spécifiques.
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04459885 , version 1 (15-02-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04459885 , version 1

Citer

Elina Gilbert. Perles liquides dans une matrice solide : rhéologie et adhésion d'émulsions solides. Matière Molle [cond-mat.soft]. Université Paris-Saclay, 2023. Français. ⟨NNT : 2023UPASP178⟩. ⟨tel-04459885⟩
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