Comment la formation d'un gel affecte-t-elle la dissolution des polymères de grande masse molaire ?

par Pauline Valois

Thèse de doctorat en Physico-Chimie des Polymères

Sous la direction de François Lequeux.

Soutenue le 28-09-2015

à Paris 6 , dans le cadre de École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris) , en partenariat avec Sciences et Ingénierie de la Matière Molle (laboratoire) .

Le jury était composé de Catherine Amiel, Béatrice Guerrier, Pierre Levitz, Jean-Philippe Caritey, Laurence Talini.


  • Résumé

    Les polymères de grande masse molaire sont couramment utilisés comme viscosifiants par l’industrie pétrolière. Ils peuvent se présenter sous la forme d’une poudre qui doit être dissoute dans l’eau le plus rapidement possible avant d’être pompée dans le puits. Cette étude porte sur la compréhension des mécanismes qui entrent en jeu lors de la dissolution de la poudre d’un polyélectrolyte appelé GP. Bien qu’étant solubles dans l’eau, les grains de GP présentent un comportement hydrophobe lorsqu’ils sont mis en contact avec l’eau. Le mouillage est défavorable. Une couche de gel viscoélastique gonfle et bouche les pores entre les grains, provoquant la formation de grumeaux qui augmentent le temps de dissolution. Nous avons montré que c’est la cinétique de gonflement du gel qui contrôle la cinétique de dissolution du GP. Le gonflement du gel est un processus diffusif gouverné par la pression osmotique due à la présence des contre-ions du GP. La reptation ne joue aucun rôle dans le désenchevêtrement des chaines, qui survient uniquement lorsque la concentration en polymère dans le gel devient inférieure à la concentration critique de recouvrement c* du GP. La disparition du gel peut être accélérée en imposant une vitesse d’agitation ω dans le mélange eau/GP qui génère un cisaillement à l’interface gel/solution. La couche de gel est alors érodée lorsque la concentration en polymère dans le gel devient inférieure à la concentration critique d’érosion cer, supérieure à c* et qui augmente avec ω. Nous avons montré que la cinétique de dissolution du GP est alors contrôlée par l’érosion de la couche de gel et que le temps de dissolution varie comme ω à la puissance -1.2.

  • Titre traduit

    How does the formation of a gel influence the dissolution of high molar mass polymers ?


  • Résumé

    Polymers of large molar mass are often used as fluids viscosifiers in the Oil and Gas industry. Ideally, the polymer powder must mix with water and totally dissolve as fast as possible before being pumped in the well. This study focuses on the understanding of the mechanisms at stake during the dissolution of a polyelectrolyte called GP. Even if they are hydrosoluble, GP grains exhibit a hydrophobic behavior when they are put in contact with water, which is responsible for a poor wetting. A viscoelastic gel layer forms and clogs the pores between GP grains, leading to the formation of lumps which increases the dissolution time. We demonstrate that the GP dissolution kinetics is controlled by the gel swelling kinetics. Gel swelling is a diffusive process governed by GP counter-ions osmotic pressure. Gel dissolution is not controlled by a reptation process but occurs when the polymer concentration inside the gel reaches c*, the overlap concentration of the GP. Dissolution is accelerated by stirring the polymer/water mix. The shear at the gel/solvent interface is responsible for the gel erosion. Erosion occurs when the polymer concentration inside the gel reaches the critical erosion concentration cer > c*, which increases with the mixing velocity ω. We demonstrate that GP dissolution kinetics is thus controlled by the erosion of the gel layer and that the dissolution time varies as ω to the power -1.2.


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