Étude par biréfringence d'écoulement de solutions semi-diluées de polymères. - Archive ouverte HAL Accéder directement au contenu
Thèse Année : 1999

Flow birefringence of semidilute polymer solutions

Étude par biréfringence d'écoulement de solutions semi-diluées de polymères.

Résumé

Semi-dilute polymer solutions have found numerous industrial applications, for instance in the food industry or for oil recovery, owing to their high viscosity and shear-thinning nature. To tailor their rheological behavior, an understanding of the underlying molecular mechanisms is paramount. Flow birefringence is ideally suited as it provides a probe of molecular deformation and orientation, which often cause rheological shear-thinning. This thesis first describes efforts to design and build an ellipsometer coupled to a commercial rheometer to simultaneously characterize rheological properties, birefringence and extinction angle. The unique design of the equipment was shown to enable measurement of samples that also possess rotary power, and a theoretical approach was proposed to separate this rotary power from birefringence. This will enable flow birefringence studies of the gelation of gelatin under flow. Flow birefringence experiments were conducted on three semidilute polymer systems of different nature: - xanthan gum, a semi-rigid charge-bearing polysaccharide that readily oriented under flow - poly ethylene oxide, a very flexible polymer that was shown to undergo large deformation and orientation under flow in the semidilute, entangled regime - polystyrene sulfonate, a strongly charged polyelectrolyte with a hydrophobic backbone that showed very little orientation and shear-thinning, even in the semi-dilute regime without addition of salt to reduce ionic strength. This seems to support recent models prediction chain collapse due to counterion condensation at high concentration. Experimental results were compared to theories of low shear viscosity and rotational diffusion coefficient for rod-like, flexible or persistent chains. Discrepancies point to the role of polydispersity and flexibility, which are not fully accounted for in the models.
Les solutions semidiluées de polymères sont aujourd'hui utilisées dans nombre d'applications industrielles qui nécessitent des fluides relativement visqueux qui fluidifient sous cisaillement, comme dans l'industrie alimentaire ou pour la récupération assistée du pétrole. Afin d'obtenir les propriétés rhéologiques désirées, il est primordial de comprendre quels mécanismes microscopiques en sont à l’origine. La biréfringence d'écoulement est de ce point de vue une technique intéressante, puisqu'elle permet d'évaluer l'orientation et la déformation moléculaires souvent à l'origine de la rhéofluidification. Une part importante de ce travail a été consacrée à la conception et la réalisation d'un ellipsomètre, qui a été adapté à un rhéomètre commercial de façon à mesurer simultanément les grandeurs rhéologiques habituelles, la biréfringence et l'angle d'extinction. On a montré théoriquement qu'une modification du montage permettait également d'effectuer ces mesures lorsque l'échantillon possède un pouvoir rotatoire, et on propose un protocole expérimental permettant de séparer ce pouvoir rotatoire de la biréfringence, ce qui permettra l'étude ultérieure de la prise en gel de la gélatine sous cisaillement. Des mesures de biréfringence d'écoulement ont été réalisées sur des solutions semidiluées d'échantillons aux propriétés diverses : - la gomme xanthane, qui est un polysaccharide chargé relativement rigide s'orientant aisément sous cisaillement. - le polyoxyethylene dont la grande flexibilité permet en régime semidilué enchevêtré une orientation et une déformation importante. - le poly(styrène sulfonate) enfin qui est un polyélectrolyte fortement chargé, au squelette hydrophobe, et dont les solutions semi diluées en l'absence de sel ajouté montrent très peu d'orientation, et une très faible rhéofluidification, ce qui peut corroborer des modèles récents de collapse des polyélectrolytes fortement chargés sous l'effet d'une condensation des contre-ions a forte concentration. On a comparé ces résultats aux modèles de solutions de bâtonnets, de chaines flexibles ou persistantes pour le coefficient de diffusion de rotation et la viscosité à bas gradient. Les écarts observés entre théories et expériences sont mises au compte de la polydispersité et de la flexibilité.
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Dates et versions

tel-01322818 , version 1 (27-05-2016)

Identifiants

  • HAL Id : tel-01322818 , version 1

Citer

Stéphane Costeux. Étude par biréfringence d'écoulement de solutions semi-diluées de polymères.. Mécanique des fluides [physics.class-ph]. Université Paris 6, 1999. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01322818⟩
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