Propriétés d'élongation
Dynamique d’orientation de colloïdes anisotropes sous écoulement d’élongation :
caractérisation in-situ par SAXS et PIV
De nombreuses recherches sur les suspensions colloïdales de particules anisotropes sous écoulement d’élongation ont été incitées par les diverses applications et procédés industriels qui les mettent en œuvre : par exemple les procédés de déposition en microélectronique, ou de mise en forme par extrusion de composites polymères. Sous écoulement d’élongation ces suspensions peuvent présenter des propriétés dépendantes du temps ainsi que des instabilités d’écoulement telles que des localisations, des ségrégations ou des changements de phase.
Contrôler les dynamiques d’orientations de ces colloïdes anisotropes sous écoulement a une conséquence directe sur les propriétés macroscopiques optiques ou mécaniques des matériaux fabriqués. Dans ce but, une nouvelle instrumentation du type moulin à quatre rouleaux a été spécialement développée afin de caractériser la structure de ces suspensions (Fig. 1) par diffusion de rayons x aux petits angles lors de l'application de champs d'écoulement d'élongation contrôlés caractérisés par PIV (Pignon et al. 2009).
Les dynamiques d'orientation de suspensions de fibres de sépiolite dans du polyéthylène oxyde (PEO)sous écoulement d'élongation, ont été étudiées du point de vu des échelles de temps d'orientation ou de relaxation des fibres dans la matrice polymère.
Des mesures de vélocimétrie par image de particules (PIV) ont permis d’identifier les domaines de taux d’élongation et de fractions volumiques pour lesquels un écoulement d’élongation pur dans le volume de la cellule est établi (Fig. 2).
Pour un domaine de fractions volumiques et de taux de cisaillement pour lequel les suspensions ont un comportement rhéofluidifiant, deux régimes d’orientation séparés par un taux d‘élongation critique ont été identifiés. Lors de régimes transitoires d’élongation, les évolutions du paramètre d’anisotropie déduit des spectres de diffusion ont permis de caractériser les échelles temps sur lesquelles les fibres s’alignent ou relaxent dans la matrice polymère (Fig. 3).
Références
Pignon F., Magnin A., Piau J.M., and Fuller G.G., "The orientation dynamics of rigid rod suspensions under extensional flow", Journal of Rheology, 47(2), 371-388 (2003). https://doi.org/10.1122/1.1545071
Pignon F., Magnin A., Piau J.M., Belina G., Panine, P., "Structure and orientation dynamics of sepiolite fibers - poly(ethylene oxide) aqueous suspensions under extensional and shear flow, probed by in-situ SAXS", Rheologica Acta, 48, 563-578 (2009). https://doi.org/10.1007/s00397-009-0355-y
Fig. 1 : Représentation schématique de la cellule d'écoulement d'élongation et de caractérisation in-situ par SAXS de la structure et de l'organisation des colloïdes.
Fig. 2 : lignes de courant déduites des mesures de PIV dans la cellule d'élongation pour différents plans d'observation à une distance x du fond du réservoir.
Fig. 3 : évolutions du paramètre d'anisotropie déduit de l'analyse de l'intensité diffusée lors d'un écoulement d'élongation (à gauche) et lors de la relaxation (à droite) d'une suspension d'argile fibreuse de sépiolite dans du PEO.