Mise au point de méthodes de mesures rhéologiques en ligne : application aux mousses liquides

Résumé

L’application des mousses liquides dans les secteurs de l’agroalimentaire, de la cosmétique, de la pharmacie entre autres prennent de plus en plus d’importance. Du fait de leurs performances dont leur faible densité et leur texture, elles sont devenues des matériaux intéressants. Les mousses aqueuses formulées en continu dans les mélangeurs statiques sont des fluides complexes constitués de dispersions de bulles d’air dans une solution de tensioactifs. Elles sont rhéologiquement difficiles à caractériser à l’issue de leur fabrication du fait des différents phénomènes physiques tendant à leur évolution structurale. La mesure en ligne de leurs caractéristiques rhéologiques permettrait de pallier cette difficulté. Pour arriver à cet objectif une stratégie par étape a été adoptée.

Tout d’abord, la vérification et la calibration de l’hydrodynamique des mélangeurs statiques a été effectuée. Pour cela, les mélangeurs statiques ont été modélisés comme un milieu poreux du fait de leur composition géométrique constitué en un réseau de barres croisées qui forment des sortes de canaux semblables à des pores. Au moyen de fluides Newtoniens et non-Newtoniens viscoélastiques avec ou sans seuil d’écoulement, une acquisition de données de pertes de charge en fonction du débit a été faite en régime laminaire et les paramètres géométriques caractéristiques du mélangeur statique ont été mesurés pour développer une loi permettant la mesure de la viscosité des fluides qui s’y écoulent. Nous avons proposé un modèle quantitatif à partir des paramètres géométriques reliant les données du procédé (perte de charge et débit volumique) aux données rhéométriques (premières différences de contraintes normales, contraintes et taux de cisaillement). Nous avons montré que la structure de ces mousses est pilotée par la rhéologie de cisaillement que nous avons caractérisée indépendamment. Des tests de simulation numérique effectué grâce à des fluides Newtoniens de viscosité connue sont venus appuyer les résultats de la rhéologie systémique.

Pour conforter les résultats de l’approche du milieu poreux obtenus avec le mélangeur statique, nous avons mis au point un rhéomètre rotationnel de laboratoire en sortie du mélangeur statique qui permet 
de mesurer la relation contrainte-cisaillement à partir des données de couple et vitesse de rotation d’échantillons de mousses s’écoulant entre deux cylindres coaxiaux. Les résultats obtenus n’ont pas 
permis d’estimer la viscosité des mousses à cause des limites caractéristiques de l’appareil utilisé mais aussi de l’effet du débit de mousse arrivant dans le dispositif rotationnel.

Direction de thèse

Denis ROUX, MAITRE DE CONFERENCES, Université Grenoble Alpes, Directeur de thèse

Emeline TALANSIER, MAITRESSE DE CONFERENCES, Université Grenoble Alpes, Co-encadrante de thèse

Membres de Jury 

Denis ROUX, MAITRE DE CONFERENCES, Université Grenoble Alpes, Directeur de thèse

Jean-Charles MAJESTÉ, PROFESSEUR DES UNIVERSITES, Université Jean Monnet, Rapporteur

Philippe MARCHAL, INGENIEUR DE RECHERCHE, CNRS Centre-Est, Rapporteur

Stéphane BAUP, PROFESSEUR DES UNIVERSITES, Université Grenoble Alpes, Examinateur