Slippage of threshold fluids : lubrication film
Glissement de fluides à seuil : film de lubrification
Résumé
This thesis focuses on wall slip ---an apparent velocity discontinuity--- of dense suspensions of microgels and on the lubrication layer at its origin. We study microgels made of entangled and crosslinked polyelectrolyte (sodium polyacrylate). We combine rheological measurements and confocal microscopy to show that the microgels are elastic spheres (with an elastic modulus of typically 1kPa) with an average radius of approximately 1 µm. Above a critical concentration (approx. 1 g/L), the suspensions behave as yield stress fluids, intermediate between liquids and solids. We use micro particle image velocimetry (micro-PIV) to characterise pressure-driven flows of the suspensions in microfluidic channels of 300 µm height. From the velocity profiles, we obtain the friction law that relates the slip velocity and the stress at the wall. We observe a quadratic regime for the stress as a function of the velocity, which is rationalised with the elasto-hydrodynamic model of Meeker et al. (2004) based on a solvent lubrication layer between the wall and the microgels. In addition, a second regime, linear in velocity, is evidenced at higher wall stresses. This behaviour is consistent with previous work on Carbopol microgels, which have the same chemistry but a different microstructure. We then probe directly the solvent lubrication layer. We use total internal reflection fluorescence (TIRF) microscopy to determine the flow velocities in the vicinity of the wall (first micrometer). We observe a strongly sheared zone close to the wall and an almost constant velocity further from the wall. This behaviour is characteristic of the lubrication layer at the origin of wall slip. This is the first direct observation of this liquid film for microgel suspensions. The variation of the thickness of the layer (typically 100 nm) with the velocity is consistent with models from the literature. Finally, we disturb the solvent layer with a wall roughness of length scale comparable with the solvent thickness but much smaller than the microgel radius. To achieve this while keeping the same surface chemistry, we deposit and sinter silica colloids (90 nm diameter) on a glass surface. With our micro-PIV set-up, we show that this roughness is sufficient to strongly reduce the slip velocity. Wall slip is even suppressed at low enough stresses (up to a few times the yield stress).
Cette thèse porte sur le glissement à la paroi (discontinuité apparente de la vitesse) des suspensions concentrées de microgels et sur le film de lubrification à l’origine de ce phénomène. Les microgels étudiés sont des polyélectrolytes (polyacrylates de sodium) enchevêtrés et réticulés. En combinant des mesures en rhéologie et en microscopie confocale, nous avons montré que les microgels sont des sphères élastiques (module de l’ordre du kPa) d’un rayon moyen d’environ un micron. Au-delà d’une concentration critique proche de 1 g/L, les suspensions se comportent comme des fluides à seuil intermédiaires entre solide et liquide. À l’aide d’un dispositif de vélocimétrie par imagerie de particules en microscopie (micro-PIV), on caractérise l’écoulement à pression imposée des suspensions dans un canal microfluidique (hauteur de 300 µm). On en déduit la loi de friction reliant la vitesse de glissement à la contrainte à la paroi. Un régime non-linéaire (contrainte variant comme le carré de la vitesse) est d’abord mis en évidence et décrit par le modèle élasto-hydrodynamique de Meeker et al. (2004) qui suppose l’existence d’une couche de lubrification entre microgel et paroi. De plus, un deuxième régime linéaire en vitesse est observé aux grandes contraintes. Ce comportement est comparable à celui précédemment observé pour des microgels de Carbopol de même chimie mais de microstructure différente. Nous cherchons ensuite à sonder directement le film de lubrification. Pour cela, nous utilisons la microscopie de fluorescence par réflexion totale interne pour faire des mesures de vélocimétrie proche de la paroi (dans le premier micron). On observe une rupture de pente des profils de vitesse avec un cisaillement plus prononcé à la paroi. Ce comportement est la signature de la couche de lubrification à l'origine du phénomène de glissement qui est ici observée directement pour la première fois pour des suspensions de microgels. L’évolution de l’épaisseur de cette couche (environ 100 nm) avec la vitesse est compatible avec les modèles de la littérature. Enfin, nous perturbons le film de solvant à l’aide d’une rugosité d’échelle comparable à son épaisseur et bien inférieure à la taille des microgels, tout en conservant la chimie de la surface. Pour cela, des colloïdes de silice (90 nm de diamètre) sont déposés sur une surface de verre et fixés par frittage. À l’aide du dispositif de micro-PIV, nous avons montré que cette rugosité est suffisante pour réduire fortement le glissement voire le supprimer aux faibles contraintes (jusqu'à quelques fois la contrainte seuil du fluide).
Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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