Fluides et caractérisation

Fluides étudiés

Les fluides newtoniens

Les huiles silicones sont souvent utilisées pour la formation de gouttes dans des systèmes en PDMS (polydimethylsiloxane) [77] car elles présentent l’avantage d’être compatibles avec ce matériau. Deux huiles silicones de viscosités différentes ont été utilisées dans la suite, il s’agit des huiles silicones polydiméthylsiloxane 20 et 500 cSt à 25°C de chez VWR. Les huiles fluorées sont aussi utilisées dans de nombreuses applications microfluidiques [78]. L’un des avantages de ces huiles est que la majorité des composés organiques y sont insolubles. Elles présentent aussi l’avantage d’être inertes chimiquement et compatibles avec le PDMS. L’huile fluorée Fluorinert FC-70 (3M) a été utilisée par la suite. Pour faire varier la viscosité, nous avons choisi le glycérol (BioXtra 99 %, Sigma Aldrich). Ce composé ne fait pas gonfler le PDMS [79] et est soluble en phase aqueuse. Le glycérol permet d’atteindre une gamme de variation de viscosité assez importante (de 1 à 1400 mPa.s à 20°C). L’éthanol a été utilisé pour faire varier la tension interfaciale entre la phase de la goutte et la phase continue. L’éthanol est aussi compatible avec le PDMS [79]. Du dodecyltrimethylammonium bromide (DTAB, Sigma Aldrich) à 1.7 % (w/w) dans un mélange glycérol-eau à 60 % (w/w) a aussi été utilisé pour modifier la tension interfaciale entre la phase aqueuse et une huile silicone. Il s’agit d’un tensio-actif cationique soluble dans l’eau dont la concentration micellaire critique (CMC) est à 0,03 mol/L [80]. La concentration utilisée correspond donc à un peu plus de 2 fois la CMC. Nous nous sommes aussi intéressés au polyéthylène glycol noté PEG. Le composé que nous avons étudié possède une masse molaire moyenne en masse 𝑀̅𝑤 = 624 𝑔. 𝑚𝑜𝑙−1 . Ce polymère a été simplement préparé à différentes concentrations par dissolution dans de l’eau déionisée.

Les non-newtoniens – HPAM

Les HPAM sont des polyacrylamides partiellement hydrolysés. Ainsi ils sont constitués d’une succession de monères acrylamides qui forment une chaîne linéaire entre eux. Ces polymères sont chargés et Fluides et caractérisation 46 partiellement hydrolysés c’est-à-dire qu’une partie des fonctions amides sont des fonctions carboxyle ou carboxylate. Le taux d’hydrolyse correspond au nombre de motifs hydrolysés sur le nombre total de motifs du polymère. Figure 29 Polyacrylamide partiellement hydrolysé Deux solutions de HPAM de masses molaires différentes ont été étudiées : – FLOPAAM 3230, 𝑀̅𝑤 = 9. 106 𝑔/𝑚𝑜𝑙 (SNF) avec un taux d’hydrolyse de 25 à 30% – FLOPAAM 3630, 𝑀̅𝑤 = 18. 106 𝑔/𝑚𝑜𝑙 (SNF) avec un taux d’hydrolyse de 25 à 30% Les solutions de HPAM sont préparées de la manière suivante : le polymère sous forme de poudre est solubilisé à la concentration voulue dans une eau déionisée sous agitation magnétique pendant une nuit à température ambiante.

Rhéologie des fluides newtoniens

Les viscosités des différents fluides newtoniens utilisés ont été mesurées à 20°C sur le rhéomètre à contrainte imposée Physica MCR-301 (Anton Paar GmbH, Graz, Austria). Le rhéomètre est équipé d’un système Peltier de contrôle de la température (C-PTD200-SN928212). La géométrie utilisée est un système de cylindres coaxiaux à double-entrefer (DG26.7/Q1 – SN36551). Le taux de cisaillement a été varié entre 5 et 500 s-1 . Les différents mélanges eau-glycérol (Figure 30), les solutions aqueuses de polyéthylène glycol (Figure 31), les huiles silicones (Figure 32) ainsi que l’huile fluorée et les mélanges eau-éthanol étudiés (Figure 33) présentent bien un comportement newtonien sur la gamme de taux de cisaillement étudiée. 47 Figure 30 Viscosités à 20°C des différents mélanges eau-glycérol étudiés Figure 31 Viscosités à 20°C des différents solutions aqueuses de poly éthylène glycol étudiées 48 Figure 32 Viscosités à 20°C des différentes huiles silicones étudiées Figure 33 Viscosités à 20°C de l’huile fluorée et des différents mélanges eau/EtOH utilisés 

Rhéologie des fluides non-newtoniens

Les mesures de viscosités des différents fluides non-newtoniens utilisés ont été réalisées à 20°C sur le rhéomètre à contrainte imposée Discovery HR-3 (TA Instruments, New Castle, États-Unis). Le rhéomètre est équipé d’un système Peltier de contrôle de la température. La géométrie utilisée est une géométrie cône-plan (SN982166). Le cône a un diamètre de 40 mm et un angle de 1°59, l’entrefer 49 est de 50 µm. Le taux de cisaillement a été varié entre 10 et 1000 s-1 . Chaque série de points est précédée d’une étape de pré-cisaillement pour mise en température à 10 s-1 pendant 300 s. La gamme de taux de cisaillement est explorée dans le sens croissant. Quelle que soit la concentration et la longueur de la chaine, les solutions de HPAM étudiées présentent un comportement rhéofluidifiant sur toute la gamme de taux de cisaillement explorée (Figure 34 et Figure 35). Dans la gamme de taux de cisaillement étudiée, le plateau de viscosité à cisaillement nul n’est pas mesuré. On mesure cependant l’amorce du plateau de viscosité à haut taux de cisaillement mais seulement dans le cas du FLOPAAM 3630 à partir de 800 s-1 .