Perles liquides dans une matrice solide : Viscoélasticité et adhésion des émulsions solides

par Elina Gilbert

Projet de thèse en Physique

Sous la direction de Christophe Poulard et de Anniina Salonen.

Thèses en préparation à université Paris-Saclay , dans le cadre de Physique en Ile de France , en partenariat avec Laboratoire de Physique des Solides (laboratoire) et de Faculté des sciences d'Orsay (référent) depuis le 01-10-2020 .


  • Résumé

    Les émulsions solides sont des systèmes très prometteurs permettant de varier la viscoélasticité d'un matériau en décorrélant la réponse élastique provenant de la matrice élastomérique et la réponse visqueuse provenant des perles liquides encapsulées. Ceci permet, par exemple, de pouvoir moduler le taux de restitution de l'énergie G d'une interface silicone sans modifier son énergie de surface puisqu'aucun tensioactif n'est nécessaire pour stabiliser l'émulsion. Après avoir étudié précisément le processus de stabilisation de ces gouttelettes , nous voulons désormais étudier les propriétés rhéologiques et adhésives de tels matériaux. Des mesures préliminaires montrent une hystérèse importante de la contrainte normale dans un cycle de compression-décompression de l'émulsion avec une valeur à la rupture significative comparée à celle mesurée sur le silicone réticulé. En traçant l'énergie dissipée en fonction de la taille des gouttelettes, on observe un premier régime ou l'énergie dissipée augmente avec le rayon pour des tailles inférieures à la longueur capillaire du système puis un second où l'énergie diminue. Cette évolution présente donc un maximum de dissipation dépendant de la taille des inclusions ou de leur fraction volumique. Une première hypothèse pourrait être qu'en augmentation ce paramètre, les films élastiques entre gouttes deviennent de plus en plus minces rendant le système de plus en plus complaisant et donc plus adhésif. Il reste donc à identifier les paramètres pertinents (diamètre, densité, viscosité des inclusions, ...) permettant de maximiser l'énergie d'adhésion de ce système. L'intérêt majeur de ce type de matériaux est de permettre de contrôler indépendamment les propriétés élastiques et visqueuses du système portées respectivement par la matrice et par les gouttelettes. D'une manière plus générale, nous souhaitons donc étendre cette étude aux systèmes complexes complaisants en utilisant des liquides à rhéologie variable et contrôlée. L'utilisation de fluide à seuil ou de fluide rhéo-épaississant, par exemple, pourrait alors avoir des réponses très différentes en fonction de la sollicitation appliquée jouant ainsi le rôle de renfort au repos, pour les fluides à seuil, ou à forts taux de déformation pour les fluides rhéo-épaississants. Pour ces derniers, des applications dans le domaine de la contention en médecine sont naturellement envisageables, on imagine très bien que de tels matériaux pourraient être utilisé en remplacement ou en complément des plâtres pour apporter un confort de contact avec les membres fracturés grâce à la complaisance de la matrice élastique tout en étant capables de protéger le membre, en absorbant une grande partie de l'énergie si un choc arrivait. D'un point de vue plus fondamental, en contrôlant la viscoélasticité du système cela permettra d'étudier la transition entre un régime purement visqueux décrit par la loi de Laplace dans le test du pont capillaire et un régime purement élastique décrit par les équations JKR dans les tests d'adhésion sachant que ces deux tests utilisent la même géométrie de contact (sphère/plan). On pourrait alors relier ces deux théories afin de relier les théories du mouillage et de l'adhésion.

  • Titre traduit

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


  • Résumé

    Solid emulsions are promising systems that allow to tune their viscoelastic behavior by decorrelating the elastic response from the elastomeric matrix and the viscous response from the liquid inclusions. It is for instance possible to change the energy release rate G of a silicone polymer interface without varying the surface energy, as no surfactant is needed to stabilize the emulsion. After having studied in details the droplet stabilization process, we want to know more about the rheological and adhesive properties of this material. Preliminary measurements show a high normal stress hysteresis in a compression-decompression cycle, with a fail value higher than for cured silicone. By plotting the dissipated energy as a function of the droplet size, we can observe a first regime in which the dissipated energy increases with the droplet radius. When the droplet radius becomes higher than the capillary length of the system, the dissipated energy decreases, in a second regime. We thus have a dissipation maximum depending on the size of the inclusions, and their volume fraction. A first hypothesis could be that by increasing the inclusion size and/or the volume fraction, the elastic films between the droplets become thinner, and the composite then becomes more complacent and as a consequence, more adhesive. We now have to identify the pertinent parameters (droplet diameter, density, viscosity of the inclusions…) to maximize the adhesive energy of the composite. The main interest for such a material is to control independently the elastic and viscous properties, controlled respectively by the matrix and the droplets. We would like to expand this system to a more general study of complex complacent materials, using liquids with variable and controlled rheology. For instance, using yield strass fluids or shear thickening fluids could bring dramatically different responses depending on the solicitation, bringing reinforcement in the quiescent state for yield stress fluids, or at high strain rate for shear thickening fluids. In the latter case, applications in contention devices for medicine could be explored. One could imagine such materials replacing, or in complement of casts, to add contact comfort for broken members thanks to the softness of the elastic matrix while still being able to protect it by absorbing a large part of the energy in case of a shock. A more fundamental approach to the system would be to study the transition between a purely viscous regime, described by Laplace law with the capillary bridge, and a purely elastic regime described by the JKR equations in adhesion tests by controlling the viscoelasticity of the material, as those two descriptions use the same contact geometry, namely sphere-plane. We could then bridge the gap between those two theories, to link wetting and adhesion theories.