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Vieillissement de mousses de fluides complexes

ABG-96251 Thesis topic
2021-02-23 Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)
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Université Gustave Eiffel
Champs-sur-Marne et Paris (INSP) - Ile-de-France - France
Vieillissement de mousses de fluides complexes
  • Materials science
  • Physics
matière molle ; microfluidique ; fluides complexes ; mousse ; émulsion ; élasticité ; plasticité ; capillarité ; expérimental

Topic description

Le contrôle de la morphologie et des propriétés fonctionnelles des matériaux moussés pose de grandes difficultés, quelle que soit la méthode de moussage utilisée pour produire ces matériaux. La raison principale de ces difficultés est liée au vieillissement rapide selon les trois mécanismes suivants, à l’œuvre tant que le matériau n’est pas durci [1] : (i) le drainage, engendré par la différence de densité entre les bulles d’air et le matériau, (ii) le mûrissement, causé par l’échange d’air entre les bulles du fait de leurs différences de pression et de la solubilité de l’air dans le matériau liquide, et (iii) la coalescence, qui correspond à la rupture des films minces de liquide séparant les bulles. L’intensité de ces différents mécanismes dépend de plusieurs paramètres, tels que les tailles des bulles, la fraction d’air, le type de tensioactif et sa concentration. En principe, l’utilisation de tensioactifs appropriés permet de réduire considérablement la coalescence. Le drainage peut être totalement annihilé si le matériau que l’on cherche à mousser est un fluide complexe possédant une contrainte seuil, comme par exemple les pâtes de ciment ou les suspensions concentrées [2]. En revanche le mûrissement reste très difficile à maitriser et ceci empêche la production contrôlée de certaines mousses solides, dans différents secteurs industriels. Pour le secteur de la construction par exemple, des matériaux plus légers pourraient être produits si le mûrissement était parfaitement maitrisé. Nous proposons d’étudier le mûrissement de mousses produites à partir d’un fluide à seuil. On attend que la contrainte seuil de ce type de matériau procure une résistance mécanique suffisante pour empêcher le murissement.

Sur le plan fondamental de nombreuses questions subsistent concernant le murissement des mousses, y compris pour le cas de mousses produites avec un liquide simple, ce qui amène les chercheurs à s’intéresser à ce sujet. Le murissement de mousses contenant une fraction liquide importante, proche de 35-40%, est d’ailleurs actuellement étudié à bord de la Station Spatiale Internationale (ISS) par un consortium de scientifiques auquel nous appartenons [3]. L’utilisation des conditions de micropesanteur permet ici d‘étudier sur de longues durées ces systèmes qui sur Terre drainent trop rapidement. Ces travaux permettront de mieux comprendre la cinétique du murissement, associée à la dynamique interne produite par les changements de volumes des bulles qui le subissent. En retour, cette compréhension permettra d’imaginer les meilleures stratégies pour maitriser le murissement et produire des matériaux moussés mieux contrôlés. L’étude du murissement de mousses issues de fluides complexes est prévue dans l’ISS au cours du second semestre de cette année.

Grace aux récents progrès réalisés en termes de production de mousses de fluides complexes, l’étude du mûrissement de ce type de mousse peut désormais être lancée avec de nombreuses possibilités pour faire varier leur composition. Pour cette thèse nous proposons une étude complète permettant de répondre à cette question ouverte : quelles doivent être les propriétés rhéologiques du matériau moussé pour que le murissement soit totalement bloqué ? La mise en évidence du couplage elasto-capillaire entre le processus de murissement, les contraintes élastiques du fluide jusqu’à la valeur seuil et la microstructure sera réalisée par une étude multi-échelle. Les expériences prévues à bord de l’ISS feront partie de cette étude.

Notre approche sera basée sur l’utilisation d’un fluide à seuil modèle, comme une émulsion concentrée d’huile dans l’eau, qui exhibe un comportement élasto-plastique simple, c’est-à-dire caractérisé par deux paramètres rhéologiques indépendant du temps [4] : le module élastique et la contrainte seuil. Des mousses liquides contenant différentes émulsions (la solution aqueuse est toujours le liquide continu commun à la mousse et à l’émulsion) ont été produites récemment. Ici nous proposons de combiner les méthodes de production les plus récentes et efficaces, disponibles dans notre laboratoire, pour couvrir des gammes de valeurs les plus larges possibles pour plusieurs paramètres cruciaux : fraction d’air, tailles initiale des bulles, module élastique et contrainte seuil de l’émulsion. Par exemple, des mousses de bulles de grande taille (> 300 µm), avec des fractions d’air importantes (> 80 %) et des contraintes seuil modérées (< 50 Pa) pourront être produites avec des méthodes dites de milli-fluidique [5]. Au contraire, des mousses de bulles et de fractions d’air plus petites pourront être produites par une méthode basée sur un transfert alternatif entre deux seringues [6], ainsi qu’avec le dispositif mis en œuvre à bord de l’ISS. Le murissement sera étudié en utilisant plusieurs sondes et méthodes, pour lesquels nous possédons toute l’expertise : la vidéo-microscopie à la paroi de la cellule et la DTS (basée sur transmission diffuse de la lumière à travers l’échantillon) seront utilisées pour mesurer la taille des bulles, la DWS (basée sur les fluctuations temporelles de la lumière multiplement diffusée dans l’échantillon dues aux déplacements des diffuseurs) sera utilisée pour mesurer la dynamique des réarrangements des bulles. La radiographie (tomographie) aux rayons X pourra être utilisée pour mesurer l’éventuel drainage induit par le murissement 
 

Les résultats seront interprétés dans le but d’identifier les conditions pour lesquelles le murissement est efficacement contré par l’élasticité de l’émulsion, en termes de nombres sans dimension, formés avec la pression capillaire des bulles et le module élastique ou la contrainte seuil de l’émulsion, en fonction de la fraction volumique d’air. La dynamique du murissement avec de tels fluides à seuil sera analysée et comparée à celle survenant dans le cas de liquides simples de manière à proposer une description globale du murissement dans les mousses. Le drainage induit par ce murissement sera analysé et corrélé à la dynamique des réarrangements dans le but de proposer une théorie générale du drainage dans ces systèmes
 

Cette proposition de thèse a pour but d’accroitre notre compréhension du vieillissement de mousses produites avec les fluides à seuil. Sur un plan socio-économique, les résultats que nous obtiendrons pourront conduire à améliorer les propriétés fonctionnelles des matériaux moussés dans l’industrie, comme par exemple la mise au point de matériaux de construction plus légers et plus isolants.



[1] Cantat, Cohen-Addad, Elias, Graner, Höhler, Pitois et al, Foams : Structure and Dynamics, OUP (2013)

[2] Pitois, Rouyer, Current Opinion in Colloid & Interface Science, 43 (2019) 125

[3] ESA project “ Hydrodynamics of wet foams”, P.I. D. Langevin

[4] Cohen-Addad, Höhler, Current Opinion in Colloid & Interface Science, 19 (2014) 536

[5] Gorlier, Khidas, Pitois, Journal of Colloid and Interface Science, 501 (2017) 103-111

[6] Schneider, Zou, Langevin, Salonen, Soft Matter, 13 (2017) 4132-4141

Starting date

2021-10-01

Funding category

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

Funding further details

CNES / ESA

Presentation of host institution and host laboratory

Université Gustave Eiffel

Acteur majeur de la recherche européenne sur la ville et les territoires, les transports et le génie civil, l’Université Gustave Eiffel, créée le 1er janvier 2020 de la fusion notamment de l’Ifsttar (Institut français des sciences et technologies des transports, de l’aménagement et des réseaux) et de l’université Paris-Est Marne-la-Vallée, est un établissement public à caractère scientifique, culturel et professionnel, à caractère expérimental et d’implantation nationale. Elle a vocation à constituer un acteur majeur de la recherche sur le transport et la ville. L’Université Gustave Eiffel conduit au sein de ses composantes de recherche, sur ses différents campus, des travaux de recherche tant amont que plus finalisée et d’expertise dans des disciplines très variées (mathématiques et informatique, électronique, matériaux, chimie, génie civil, géosciences, sciences sociales, psychologie, économie, management, sciences de l’innovation, communication, éthique, histoire, arts, littérature etc…) et dans des domaines à fort impact sociétal comme les transports, les infrastructures, les risques naturels et la ville, visant à améliorer les conditions de vie de nos concitoyens et plus largement favoriser un développement durable de nos sociétés. Le laboratoire Navier est une unité mixte de recherche (UMR 8205) commune à l’Université Gustave Eiffel, à l’École des Ponts ParisTech et au CNRS, située à Champs-sur-Marne (77) sur le campus de la Cité Descartes. Il mène des recherches fondamentales et appliquées dans les domaines de la mécanique et de la physique des matériaux et des structures, et de leurs applications à la géotechnique, au génie civil, à la géophysique et à l'exploitation pétrolière.

L'équipe Rhéophysique et Milieux Poreux du Laboratoire Navier compte 14 chercheurs, 4 ingénieurs et techniciens et une quinzaine de doctorants et postdoctorants. Elle s’est spécialisée dans l’étude et la modélisation des propriétés physiques de matériaux complexes, souvent modèles, constitués de particules solides, gouttes ou bulles, suspendues dans un ou plusieurs fluides. Nous étudions également les propriétés de transport dans les milieux poreux. Nos travaux combinent des approches expérimentales et théoriques, ainsi que des simulations numériques, du continu au discret. Ils portent principalement sur les matériaux granulaires, les pâtes, les suspensions colloïdales et non colloïdales, les mousses et matériaux aérés, les gels, le bois, les systèmes capillaires, les milieux poreux, …. Les principaux domaines d’application de notre recherche sont les matériaux pour la construction et l’habitat, l’énergie et l’environnement.

PhD title

Doctorat en Sciences des Matériaux ou Physique

Country where you obtained your PhD

France

Institution awarding doctoral degree

Université Gustave Eiffel

Graduate school

SCIENCES, INGÉNIERIE ET ENVIRONNEMENT

Candidate's profile

Cursus en Sciences des matériaux (physique/chimie) ou mécanique des fluides. Une expérience en stage expérimental serait appréciée.

2021-04-02
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