Perles liquides dans une matrice solide : rhéologie et adhésion d'émulsions solides

Les émulsions solides, c'est-à-dire les systèmes constitués d'une dispersion de gouttelettes liquides encapsulées dans une phase continue solide, ont de multiples applications dans différents domaines de la physique. L'objectif de ce travail de thèse est d'éclairer leur comportement mécanique par des études en rhéologie oscillatoire, qui permettent de prendre en compte à la fois la réponse élastique et les effets dissipatifs du système. Dans un premier temps, nous détaillons comment générer des émulsions solides composées de deux matériaux « modèles », un élastomère de silicone, liquide lors de la génération puis réticulé, et le polyéthylène glycol (PEG), qui est un polymère liquide à température ambiante, à comportement newtonien. Nous comparons deux grandes méthodes : la microfluidique et la rupture sous cisaillement. La microfluidique nous permet de générer des émulsions de taille de goutte contrôlée, mais à fraction volumique fixée. La rupture sous cisaillement en revanche nous permet de générer des émulsions à fraction volumique contrôlée, mais on observe distribution de taille de gouttes larges, ainsi que les indices d'une inversion de phase pour les fractions volumiques Φ≥0,6. Une fois les émulsions générées, on peut étudier leur rhéologie. Les échantillons sont caractérisés en balayage en fréquences, en configuration plan-plan, pour différentes fractions volumiques. On montre l'importance du nombre élastocapillaire CaEl, qui compare l'élasticité de la phase continue à la pression capillaire dans les gouttes, en faisant varier l'élasticité de la phase continue ou la taille des gouttes. On montre que lorsque CaEl ≈ 1, le module de stockage G′, qui caractérise l'élasticité du matériau, et le module de perte G'', qui caractérise les dissipations, évoluent de manière décorrélée lorsque la fraction volumique augmente : le module de stockage reste constant pour Φ≤0,4 et le module de perte augmente. On étudie en détail la viscoélasticité du matériau, en utilisant des modèles de rhéologie fractionnaire inspirés du modèle linéaire de Kelvin-Voigt. Pour toutes les émulsions solides, on observe un comportement à deux asymptotes en loi de puissance, une asymptote d'exposant 0,4 à haute fréquence en G'' associée à la viscoélasticité de la phase continue, et une asymptote d'exposant inférieur à 0,1 présente en G' et G'' à basses fréquences, associée à l'inclusion de gouttelettes. Cet exposant faible témoigne de l'importance des effets capillaires causés par la présence de gouttes dans le composite. Enfin, on a tenté de superposer les résultats en fraction volumique en une courbe maitresse. Dans un dernier temps, on cherche à voir si l'inclusion de dissipations visqueuses dans un matériau viscoélastique influence ses propriétés adhésives. On mesure l'énergie d'adhésion de différentes émulsions solides par des tests de compression-traction avec une sonde plane et une sonde sphérique. On montre que la fraction volumique a peu d'influence sur le caractère adhésif des émulsions solides. La taille des gouttelettes, elle, semble avoir une forte influence, avec un maximum d'adhésion pour des gouttes de rayon moyen proche de 1 mm. Cette étude permet de mieux comprendre les mécanismes de dissipation visqueuse due à la présence des gouttes dans la matrice élastomère. Une meilleure compréhension de ces systèmes peut permettre de développer des matériaux avec des propriétés adhésives et rhéologiques spécifiques.