Contribution à l'étude de la biréfringence d'écoulement à la transition : écoulement de Couette, tourbillons de Taylor

The optical anisotropy gained by numerous solutions as well as by pure liquids when submitted to the action of an orientating field, is capable of bringing valuable pieces of information on the structure of this field as well as on the physical properties of the particles in solutions. The study of the optical properties arising from this anisotropy only requires the use of a lenearly polarized beam of light on which the medium is going to leave this own characteristics by changing the state of polarization of the light. The flow is created in a conventional Couette cell. It is well known that, in this type of geometry, the hydrodynamical flow undergoes several transistions leading at first to more and more complicated periodical flows, and then, to the turbulence as the angular velocity of the inner rotating cylinder is increased. The aim of this work is to study the behaviour of the properties induced by the flow at the first transition, to work out the theoretical laws controlling this properties and to see in which extend, we can deduce the intrinsec characteristics of the particles. The variation of the extinction angle and of the birefringence intensity is studied at the middle point of the annular gap as a function of the shearing gradient and, for different values of the gradient, as function of the position in the gap. The comparison between the experimental and theoretical curves shows a good agreement in the case of flattened particles (bentonite) but less convincing results for rodlike particles (V.M.T.)L'anisotropie optique qu'acquièrent de nombreuses solutions ainsi que certains liquides purs lorsqu'ils sont soumis à l'action d'un champ orientant, est susceptible d'apporter de précieuses informations sur la structure de ce champ ainsi que sur les caractéristiques physiques des particules en solution. L'étude des propriétés optiques découlant de cette anisotropie ne requiert l'utilisation que d'un rayon de lumière polarisée linéairement que le milieu traversé va marquer de ses propres caractéristiques en modifiant la polarisation de la lumière incidente. L'écoulement est réalisé dans une cellule classique de type Couette. Dans ce type de géométrie, nous savons que le champ hydrodynamique subit, lorsque la vitesse angulaire du cylindre intérieur croit au-delà d'une certaine limite, plusieurs transitions conduisant en premier lieu à des écoulement périodiques de complexité croissante, puis en dernier lieu, à la turbulence prononcée. L'objectif de trvail a été d'étudier le comportement des propriétés induites par l'écoulement à la première transition, d'établir les lois théoriques gouvernant ces propriétés et enfin, d'examiner dans quelle mesure les caractéristiques intrinsèques des particules en solution pouvaient être déduites de ces études. L'évolution de l'angle d'extinction et de l'intensité de la biréfringence est examinée au centre de l'espace annulaire en fonction du gradient de cisaillement, puis pour différentes valeurs du gradient en fonction de la position dans l'entrefer. La théorie de la biréfringence est développée dans le domaine de l'écoulement de Taylor après déterminé la structure du champ hydrodynamique ainsi que les composantes de la vitesse angulaire d'une particule. La comparaison des courbes expérimentales et théoriques conduira à un accord très satisfaisant dans le cas des particules aplatie

Rhéoépaississement de systèmes auto-associatifs de la famille CnTAB

Les solutions de tensioactifs de faibles concentrations sont composées de micelles de diverses formes, principalement des micelles cylindriques libres ou peu enchevêtrées. Sous écoulement de cisaillement, ces solutions présentent un comportement rhéoépaississant augmentation de la viscosité. Ce phénomène est lié à la formation d'une nouvelle structure induite par le cisaillement (Shear Induced Structure : SIS). L'objectif majeur de cette étude est de connaître les propriétés de rhéoépaississement de quatre systèmes, en faisant varier de manière contrôlée les dimensions des micelles en procédant au changement de la longueur de la chaîne aliphatique. Les systèmes retenus appartiennent à la famille de CnTAB (C12-, C14-, C16- et C18TAB). Nous avons effectué une comparaison entre des résultats de rhéométrie, rhéo-optique, vélocimétrie ultrasonore et diffusion de neutrons aux petits angles. L'ensemble de ce travail a abouti à une description des formes et des dimensions des micelles présentent à l'équilibre. Sous écoulement, il a été déduit que les dimensions des micelles sont grandes et facilement orientables même aux faibles cisaillements quand la chaîne aliphatique est longue. Au déclenchement du rhéoépaississement, la structure induite est totalement orientée avec une modification de cette dernière dans le sens de l'écoulement. Aux taux de cisaillement élevés, les systèmes ont un comportement rhéologique identique, de même que la structure demeure orientée. Sur la base de nos résultats et de ceux de travaux antérieurs, nous avons proposé un modèle décrivant les transitions de formes micellaires liées au comportement sous écoulement des solutions micellaires.The dilute solutions of surfactant are composed with micelles which have various forms mainly cylindrical free or having a low entangled. Under shear flow, the behavior of these solutions is shear thickening Increase of the viscosity." This phenomenon is related to the formation of a new shear induced structure (SIS). The main aim of this work is to study the shear thickening of four systems, while varying in a controlled manner dimensions micelles by the change in the length of the aliphatic chain. During this work, the systems used belong to the family of C,TAB (Cl2-, Cl4-, Cl6- and C18TAB). We conducted a comparison of the results: rheometry, rheo-optical, ultrasound velocimetry and small angle neutron scattering. A description of the shape and dimensions of micelles present in equilibrium was given as function of the chain length. Under flow, it was found that the dimensions of the micelles are large and easily adjustable to flow shears when the aliphatic chain is long. In the shear thickening transition, the induced structure is totally oriented in the flow direction. At high shear rate, the systems have similar rheological behavior, as well as the structure remains oriented. On the basis of our results and those of earlier work, we have proposed a model describing micellar transitions forms related to the macroscopic behaviour.METZ-SCD (574632105) / SudocSudocFranceF

Transitions de phases induites par écoulement dans les systèmes de micelles géantes (étude optique et rhéologique)

METZ-SCD (574632105) / SudocSudocFranceF

Propriétés rhéophysiques d'un système micellaireviscoélastique (rhéoépaississement apparent et oscillations des contraintes)

Nous avons étudié les propriétés rhéologiques et optiques des solutions micellaires viscoélastiques. Nous nous sommes focalisé sur une solution de CTAB/NaSal (50/100 mM). La courbe d'écoulement, après un plateau de contrainte caractéristique des écoulements hétérogènes, présente un rhéoépaississement apparent dans un étroit domaine de taux de cisaillement. L'étude de la réponse transitoire sous cisaillement a montré que la contrainte tangentielle et la première différence des contraintes normales N1 oscillent en phase. L'objectif principal de ce travail est de corréler les résultats de rhéologie, les observations d'optique et les mesures de vélocimétrie pour tenter d'apporter des informations sur les mécanismes à l'origine de ces variations périodiques de la contrainte en fonction du temps. L'observation directe de l'entrefer de la cellule de Couette éclairée par une large nappe de laser perpendiculaire à la vorticité, montre clairement des variations de la turbidité de la solution avec la même période que celle de la contrainte. Ces variations périodiquessont liées aux fluctuations de concentration de la phase induite par le cisaillement (SIS). Néanmoins des mesures complémentaires de vitesses locales ont montré clairement la présence de glissement aux parois de la cellule de Couette. Dans le régime rhéoépaississant les vitesses locales présentent des fluctuations périodiques ce qui pourrait être la cause des oscillations de la contrainte.We have studied rheological and optical properties of viscoelastic micellar solutions. We focus on a specific solution of CTAB/NaSal (50/100 mM), which shows, apparent shear-thickening in a narrow range of shear rates after a perfect plateau of shear stress characteristic of shear-banding. In this regime, in phase oscillations of the shear stress and of the first normal stress difference are recorded in a shearing device operating under controlled strain. The main goal of this work consists in finding correlations between rheological reponses, optical observations and ultrasonic velocimetry measurements in order to bring information on the mechanism which leads to the formation of these time periodic variations of shear stress. The direct observation of the annular gap of a Couette cell in a direction perpendicular to a plane containing the vorticity shows that the turbidity of the whole sample also undergoes time dependent variations with the same period as the shear stress; these variations are related to a periodic variations of the concentration of shear induced structures (SIS). However local velocity measurements reveal clearly the presence of slip at the walls of the Couette cell. In the shear-thickening regime, velocities present periodic fluctuations which probably induce shear stress oscillations.METZ-SCD (574632105) / SudocSudocFranceF

Spatiotemporal dynamics of two-dimensional core annular flow in square channel

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Rhéoépaississement de systèmes auto-associatifs de la famille CnTAB

Les solutions de tensioactifs de faibles concentrations sont composées de micelles de diverses formes, principalement des micelles cylindriques libres ou peu enchevêtrées. Sous écoulement de cisaillement, ces solutions présentent un comportement rhéoépaississant augmentation de la viscosité. Ce phénomène est lié à la formation d'une nouvelle structure induite par le cisaillement (Shear Induced Structure : SIS). L'objectif majeur de cette étude est de connaître les propriétés de rhéoépaississement de quatre systèmes, en faisant varier de manière contrôlée les dimensions des micelles en procédant au changement de la longueur de la chaîne aliphatique. Les systèmes retenus appartiennent à la famille de CnTAB (C12-, C14-, C16- et C18TAB). Nous avons effectué une comparaison entre des résultats de rhéométrie, rhéo-optique, vélocimétrie ultrasonore et diffusion de neutrons aux petits angles. L'ensemble de ce travail a abouti à une description des formes et des dimensions des micelles présentent à l'équilibre. Sous écoulement, il a été déduit que les dimensions des micelles sont grandes et facilement orientables même aux faibles cisaillements quand la chaîne aliphatique est longue. Au déclenchement du rhéoépaississement, la structure induite est totalement orientée avec une modification de cette dernière dans le sens de l'écoulement. Aux taux de cisaillement élevés, les systèmes ont un comportement rhéologique identique, de même que la structure demeure orientée. Sur la base de nos résultats et de ceux de travaux antérieurs, nous avons proposé un modèle décrivant les transitions de formes micellaires liées au comportement sous écoulement des solutions micellairesThe dilute solutions of surfactant are composed with micelles which have various forms mainly cylindrical free or having a low entangled. Under shear flow, the behavior of these solutions is shear thickening Increase of the viscosity." This phenomenon is related to the formation of a new shear induced structure (SIS). The main aim of this work is to study the shear thickening of four systems, while varying in a controlled manner dimensions micelles by the change in the length of the aliphatic chain. During this work, the systems used belong to the family of C,TAB (Cl2-, Cl4-, Cl6- and C18TAB). We conducted a comparison of the results: rheometry, rheo-optical, ultrasound velocimetry and small angle neutron scattering. A description of the shape and dimensions of micelles present in equilibrium was given as function of the chain length. Under flow, it was found that the dimensions of the micelles are large and easily adjustable to flow shears when the aliphatic chain is long. In the shear thickening transition, the induced structure is totally oriented in the flow direction. At high shear rate, the systems have similar rheological behavior, as well as the structure remains oriented. On the basis of our results and those of earlier work, we have proposed a model describing micellar transitions forms related to the macroscopic behaviourMETZ-SCD (574632105) / SudocSudocFranceF

Slope Effect on Core-annular Flow

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Etude de la floculation des asphaltènes du pétrole brut

L'objectif de ce travail est d'identifier les paramètres du processus d'agrégation et de floculation d'asphaltènes. En particulier, il s'agit d'établir l'influence des facteurs cinétiques sur la déposition d'asphaltènes et l'évolution des propriétés des flocs asphaltèniques au cours de leur vieillissement. Nous avons étudié le processus de floculation d'asphaltènes à partir de bruts de pétrole sélectionnés, significativement différents. Au cours de ce travail nous avons étudié le processus de la formation des agrégats dans des différents solvants et floculants. Nous avons étudié l'effet de la longueur de chaîne d'alcanes sur le mécanisme d'agrégation. Nous nous sommes intéressé également aux effets de la présence des des composés basiques et acides dont les interactions avec des asphaltènes sont très fortes. La diffusion dynamique de la lumière, a été utilisée pour suivre la cinétique d'agrégation sous l'influence de changement de la composition (les ajouts de floculant) ou de la température. Les résultats cinétiques ont été complété par des études rhéologiques qui ont apporté une information non seulement sur l'écoulement macroscopique de fluides mais également sur les subtiles variations de la structure qui ne peuvent pas être détectées par d'autres méthodes expérimentales. Les résultats obtenus ont permis de mieux comprendre le mécanisme d'agrégation et de floculation d'asphaltènes et seront utilisés pour élaborer les nouvelles méthodes permettant d'éviter la floculationThe objective of this study was to identify parameters of aggregation and of flocculation of asphaltenes. Particularly, we worked on the influence of the kinetic factors on the asphaltene deposition and on the changes of asphaltene properties during floc ageing. The flocculation process was studied with the selected, significantly different crude oils. Experiences were done with the use of different solvents and flocculants. We have studied the impact of the alkane chain length on the aggregation mechanism, as well as the influence of acid and basic compounds, the interactions of which with asphaltenes are very strong. The dynamic light scattering technique was used to follow aggregation induced by compositional and temperature changes. Kinetic results were completed with rheological studies that afforded an information not only on the macroscopic flow properties but also on subtle structure changes that cannot be obtained with other techniques. Results obtained allowed a better comprehension of the mechanism of aggregation and flocculation of asphaltenes and will be use to elaborate new methods of asphaltene flocculation preventionMETZ-SCD (574632105) / SudocSudocFranceF

Propriétés rhéophysiques de phases micellaires fluorées non ioniques (lien avec les matériaux mésoporeux)

Afin d'établir un lien entre les solutions servant de modèles dans la préparation de matériaux mésoporeux, on étudie les propriétés physiques à l'équilibre et hors équilibre de solutions micellaires aqueuses à base de deux tensioactifs fluorés : C8F17C2H4(OC2H4)9OH, [RF8(EO)9] and C7F15C2H4(OC2H4)8OH, [RF7(EO)8]. Cette étude devrait nous aider à comprendre pourquoi on obtient des matériaux mésoporeux bien ordonnés à partir de solutions micellaires du tensioactif RF8(EO)9 et des structures désordonnées lorsque l'on utilise RF7(EO)8. Les expériences sont menées sur quatre systèmes de deux surfactants: RF7(EO)8/H2O, RF7(EO)8/NaI/H2O, RF8(EO)9/H2O et RF8(EO)9/NaCl/H2O. Plusieurs techniques expérimentales sont utilisées: rhéologie, biréfringence d'écoulement et diffusion de neutrons aux petits angles dans le but de décrire ces quatre systèmes. Les diagrammes de phase des deux tensioactifs montrent qu'une phase micellaire L1 existe dans une large gamme de température et concentration. Mais dans tous les cas, la distance à la courbe de miscibilité a une influence sur les caractéristiques rhéologiques bien que toutes les solutions soient une phase L1. La biréfringence d'écoulement des deux systèmes apporte des informations complémentaires quant à la taille et la forme des micelles. Pour les deux systèmes, avec et sans sel, les résultats suggèrent l'existence de petites micelles allongées liées en chaines par des forces faibles excepté pour le système RF8(EO)9 qui ne présente pas de biréfringence notable; les micelles sont probablement petites avec une forme voisine de la sphère. Pour les quatre systèmes, on observe une perte du caractère Maxwellien lorsque les conditions de concentration et de température se rapprochent de la courbe de miscibilité. Ces résultats confortent l'idée selon laquelle : les conditions thermodynamiques choisies pour l'addition de la silice ne doivent pas être trop proches de la courbe de miscibilité, afin d'obtenir des matériaux mésoporeux ordonnés. Dans ces conditions, les solutions sont Maxwelliennes et les matériaux mésoporeux synthétisés sont ordonnésTo provide a link between the micellar templates and the mesoporous material characteristics in the final product, the physical properties of aqueous systems prepared with two kinds of fluorinated surfactants are described and analyzed under equilibrium and out-of-equilibrium conditions: the surfactants are C8F17C2H4(OC2H4)9OH, [RF8(EO)9] and C7F15C2H4(OC2H4)8OH, [RF7(EO)8]. This study may help us to understand why the ordered mesoporous materials are recovered only when RF8(EO)9 micellar solutions are used as building blocks while RF7(EO)8 solutions give rise to wormhole like structure. The distance to the lower consolute boundary (LCB) and a shift in position by salt additions are also taken into account. The experiments concern four systems of two surfactants; 1) pure RF7(EO)8 in water, 2) RF7(EO)8 in the presence of the NaI salt, 3) pure RF8(EO)9 in water, and 4) RF8(EO)9 in the presence of the NaCl salt. Several experimental techniques have been used (rheology, flow birefringence, neutron scattering) to shed light on the physical difference between the four systems. The phase diagrams of both surfactants show that a direct micellar phase (L1) exists in a wide range of concentrations and temperatures. In any cases, the distance to the LCB is a parameter which influences rheological behaviour although the micellar phase still is a L1 phase. The flow birefringence experiments performed on both systems bring complementary information of the size and shape of the micelles. For both systems, with and without salt, the results suggest the existence of small elongated micelles linked by weak forces except for the RF8(EO)9 system which shows no birefringence; the micelles in solution are probably small with a shape close to a sphere. From all four systems, the loss of the Maxwellian character is generally observed when the conditions approach the miscibility curve. These results consolidate the assumption that in order to prepare ordered mesoporous materials, the thermodynamical conditions at which the silica precursor is added to the micellar solution should not be too close to the miscibility curve. Therefore, this study suggests that the Maxwellian character seems to be a pre-requisite condition of the micellar solution for obtaining ordered mesoporous materialsMETZ-SCD (574632105) / SudocNANCY1-Bib. numérique (543959902) / SudocNANCY2-Bibliotheque electronique (543959901) / SudocNANCY-INPL-Bib. électronique (545479901) / SudocSudocFranceF