Normal force controlled rheology applied to agar gelation

A wide range of thermoreversible gels are prepared by cooling down to ambient temperature hot aqueous polymer solutions. During the sol-gel transition, such materials may experience a volume contraction which is traditionally overlooked as rheological measurements are usually performed in geometries of constant volume. In this article, we revisit the formation of 1.5\% wt. agar gels through a series of benchmark rheological experiments performed with a plate-plate geometry. We demonstrate on that particular gel of polysaccharides that the contraction associated with the sol/gel transition cannot be neglected. Indeed, imposing a constant gap width during the gelation results in the strain hardening of the sample, as evidenced by the large negative normal force that develops. Such hardening leads to the slow drift in time of the gel elastic modulus $G'$ towards ever larger values, and thus to an erroneous estimate of $G'$. As an alternative, we show that imposing a constant normal force equals to zero during the gelation, instead of a constant gap width, suppresses the hardening as the decrease of the gap compensates for the sample contraction. Using normal force controlled rheology, we then investigate the impact of thermal history on 1.5\% wt. agar gels. We show that neither the value of the cooling rate, nor the introduction of a constant temperature stage during the cooling process influence the gel elastic properties. Instead, $G'$ only depends on the terminal temperature reached at the end of the cooling ramp, as confirmed by direct imaging of the gel microstructure by cryoelectron microscopy. The present work offers an extensive review of the technical difficulties associated with the rheology of hydrogels and paves the way for a systematic use of normal force controlled rheology to monitor non-isochoric processes.Comment: 19 pages, 15 figures - accepted for publication in Journal of Rheolog

The flow of a very concentrated slurry in a parallel-plate device: influence of gravity

We investigate, both experimentally and theoretically, the fow and structure of a slurry when sheared between 2 horizontal plates. The slurry, otherwise called a "wet granular material", is made of non-Brownian particles immersed in a viscous fluid. The particles are heavier than the fluid, consequently, gravity influences the structure and flow profiles of the sheared material. Experiments are carried out in a plane Couette device, with a model slurry composed of approximately monodisperse spherical PMMA particles in oil, at high average solid concentration (about 58%). Optical observation reveals a typical 2-phase configuration, with a fluidized layer in contact with the upper plate and on top of an amorphous solid phase. We provide data on velocity profiles, wall-slip and shear stress versus the average shear rate. To interpret the data, we propose a model for the ideal case of infinite horizontal flat plates. The model, of mean field type, is based on local constitutive equations for the tangential and normal components of the stress tensor and on expressions relating the material viscometric coefficients (the shear viscosity eta and the normal viscosity psi) with the local concentration (phi) and the local shear rate. 1-,2- and 3-phase configurations are predicted, with non linear flow and concentration profiles. We conclude that the model equations correctly describe the experimental data, provided that appropriate forms are chosen for the divergence of eta and psi near the packing concentration (phi_max), namely a (phi_max-phi)^-1 singularity.Comment: 26 pages, 12 figures ; submitted to Physics of Fluid

Agregation des globules rouges en presence de dextrane : rheologie des suspensions de globules rouges

SIGLECNRS T Bordereau / INIST-CNRS - Institut de l'Information Scientifique et TechniqueFRFranc

Optical flow analysis of fluctuating motions : flow of dense granular suspensions and drying of hydrogels

International audienceAn innovative trajectory method was developed to analyze the fluctuating motions of photometric patterns in an image sequence to efficiently extract both the 2d displacement field and the diffusion coefficient in the motion direction. Two different experimental situations are investigated, namely the flow of dense granular suspensions in a Couette cell and the drying kinetics of hydrogels

Exsudation et rhéophysique des matériaux hétérogènes solide / liquide à base de corps gras

Le chauffage des matériaux cosmétiques peut provoquer une exsudation de surface sous la forme de petites gouttes puis un retrait des gouttes associé à un processus de recristallisation. Des méthodes rhéologiques et de diffusion multiple de la lumière ont permis une étude des effets d exsudation et de recristallisation en fonction de la température de chauffage, du vieillissement et de la plasticité du matériau. Des simulations numériques et un modèle phénoménologique basés sur la prolifération de fissures métastables et la croissance hors équilibre d amas de défauts liquides susceptibles de crever la surface permettent de rendre compte des effets d exsudation et de recristallisation variables selon la plasticité de la matrice semi-cristalline et la teneur en huile dans le matériau soumis à une perturbation thermique.The heating of cosmetic materials can generate an external sweating phenomenon shown by the formation of droplets, followed by a withdrawal of the droplets due to the recrystallization process. Rheological methods and light scattering allowed to study the effects of sweating and re-crystallization in term of heating temperature, aging, and material s elasticity. Numerical simulations and a phenomenological model based on the multiplication of metastable cracks and the growth outside of equilibrium state of liquid default pits able to burst the surface proves the sweating effects and the re-crystallization variable depending on the semi-crystalline matrix and the percentile of oil in the material under thermal fluctuation.BORDEAUX1-Bib.electronique (335229901) / SudocSudocFranceF

Caractérisation optique de milieux dispersés concentrés sous écoulement

De nombreux procédés d'élaboration, de traitement et de mise en forme de solides et de particules, ou plus généralement de formulation, mettent en oeuvre des milieux complexes dispersés concentrés. Ces procédés sont le siège de phénomènes de rupture, de coalescence ou d'agrégation des particules. La difficulté de compréhension et donc de modélisation de ces phénomènes est liée à la difficulté de mise au point de méthodes d'analyse in situ ou en ligne des procédés. L'objectif de cette étude est d'évaluer les potentialités d'un capteur basé sur le principe de la diffusion multiple de la lumière et développé par la société Formulaction, pour caractériser les milieux denses dispersés sous écoulement. La méthode optique utilisée, non-intrusive, permet la mesure des flux rétrodiffusés et transmis par le système à analyser. Des modèles physiques sont utilisés pour obtenir, à partir des mesures optiques, les propriétés physiques du milieu dispersé (diamètre moyen et fraction volumique des particules). Un dispositif expérimental rhéo-optique, combinant la technique optique et un système Couette, a été mis au point et permet la caractérisation des milieux dispersés concentrés sous écoulement contrôlé. Des expériences réalisées dans ce dispositif et effectuées sur des suspensions "modèle" de latex stabilisées, ont permis de dégager les effets du cisaillement sur la variation de signaux optiques, en relation avec les modifications de la microstructure des suspensions sous écoulement et les phénomènes de diffusion dépendante. Le dispositif rhéo-optique a par ailleurs permis de suivre in situ et temps réel les cinétiques de floculation par déplétion de polymère dans ces suspensions concentrées de latex en écoulement. Des mesures rhéologiques complémentaires ont permis de valider les interprétations issues des analyses rhéo-optiques. Finalement, la méthode optique a été appliquée au contrôle en ligne de la précipitation ou du broyage en voie humide de suspensions concentrées de carbonate de calcium et au suivi de la déstabilisation d'une émulsion commerciale sous écoulement.TOULOUSE-ENSIACET (315552325) / SudocSudocFranceF

Écoulement et resuspension visqueuse d'une pâte granulaire modèle en cellule de Couette à large entrefer

Le sable mouillé, certaines boues ou le béton frais sont constitués de grains dans un fluide visqueux. Les grains sont assez gros pour ne pas être browniens, et en grande concentration, ce qui procure au matériau les propriétés mécaniques d’une pâte (on parle de « pâte granulaire »). Décrire les façons dont ce genre de matériau peut couler est un enjeu important, du point de vue académique et pour de nombreuses applications. L’écoulement implique un cisaillement, dont l’effet est de disperser les grains, concurremment à la gravité qui a tendance à les entasser, et par là bloquer l’écoulement. On appelle « resuspension visqueuse » la compétition entre les deux effets. Les nombreux travaux déjà consacrés à ces questions, concernent en général des suspensions adaptées en densité, c'est à dire dans la limite où l’effet de la gravité est négligeable (geff ≈ 0). Nous présentons une étude comparative des cas sans et avec gravité, sur la base d’expériences réalisées avec une pâte granulaire modèle dans un écoulement de Couette à large entrefer. Les données sont ensuite analysées dans le cadre du modèle d’équilibre de contraintes normales de Morris et Boulay. Les expériences sont réalisées avec une pâte modèle transparente et mettent en œuvre des méthodes optiques et d’analyse d’images innovantes, qui nous permettent de mesurer les vitesses azimuthales des particules et les fluctuations de position angulaire, ainsi que le champ de concentration des particules dans l’entrefer. Pour le système isodense, l’accord théorie-expérience est excellent, pour un choix convenable des formes des fonctions viscométriques. En revanche, la même théorie ne rend compte que qualitativement du cas général geff ≠ 0. Les figures calculées reproduisent qualitativement la localisation de l’écoulement observée dans les expériences, mais un désaccord subsiste dans la description des zones de très fortes concentrations

Syneresis and delayed detachment in agar plates

International audienceBiogels made of crosslinked polymers such as proteins or polysaccharides behave as porous soft solids and store large amounts of solvent. These gels undergo spontaneous aging, called syneresis, which consists of the shrinkage of the gel matrix and the progressive expulsion of solvent. As a result, a biogel originally casted in a container often loses contact with the container sidewalls, and the detachment time is difficultto anticipate a priori, since it may occur over variable time spans (from hours to days). Here we report on syneresis phenomena in agar plates, which consist of Petri dishes filled with a gel mainly composed of agar. Direct observations and speckle pattern correlation analysis allow us to rationalize the delayed detachment of the gel from the sidewall of the Petri dish. The detachment time t* is surprisingly not controlled by themass loss as one would intuitively expect. Instead, t* is strongly correlated to the gel minimum thickness e min measured along the sidewall of the plate, and increases as a robust function of emin, independently of the prior mass-loss history. Time-resolved correlation spectroscopy atypically applied to such weakly diffusive media gives access to the local thinning rate of the gel. This technique also allows us to detect thegel micro-displacements that are triggered by water evaporation prior to the detachment, and even to anticipate the latter from a few hours. Our work provides observables to predict the detachment time of agar gels in dishes, and highlights the relevance of speckle pattern correlation analysis for the quantitative investigation of the syneresis dynamics in biopolymer gels