Study of yield stress fluids based on emulsions and microgels : The role of interactions and architecture at the colloidal scale

Les fluides à seuil d’écoulement sont des matériaux qui résistent à la déformation tant qu’une contrainte critique n’est pas dépassée. Au-delà de ce seuil, ils s’écoulent comme des liquides. Ils sont largement utilisés dans des domaines tels que l’agroalimentaire, la construction ou la fabrication additive, où le contrôle du flux et de la stabilité est essentiel. Cette thèse a pour objectif d’étudier comment la structure mésoscopique et les interactions des systèmes colloïdaux mous déterminent leur réponse rhéologique. Les colloïdes mous, tels que les émulsions et les microgels, constituent des systèmes modèles car ils associent déformabilité, interactions modulables et structure bien définie à l’échelle des particules. Des émulsions concentrées stabilisées par un tensioactif non ionique ont été préparées avec un contrôle précis de la taille des gouttelettes et des propriétés interfaciales afin d’examiner l’influence de l’organisation des gouttes et de l’énergie interfaciale sur l’élasticité et l’écoulement. Le comportement observé correspond à celui attendu pour les matériaux vitreux mous, la contrainte d’écoulement et le module élastique augmentant avec la concentration. En faisant varier la concentration en tensioactif au-delà de la concentration micellaire critique, des attractions de déplétion ont été induites, permettant une transition contrôlée d’émulsions répulsives et compactes vers des réseaux faiblement attractifs. Ces émulsions ont servi de systèmes de référence pour la comparaison avec des colloïdes de structure interne plus complexe. Les travaux ont ensuite porté sur des suspensions de microgels de poly(N-isopropylacrylamide) (pNIPAM), des particules polymères réticulées qui gonflent dans l’eau et se contractent au-dessus de leur température de transition volumique. En ajustant la densité de réticulation, nous avons examiné comment la déformabilité et la structure des microgels influencent la transition entre états fluide et solide. Les mesures rhéologiques montrent une évolution continue de l’élasticité avec la concentration, due à la déformation des microgels et à l’interpénétration progressives des chaînes périphériques. À fortes fractions volumiques effectives, les suspensions forment des réseaux élastiques continus dont le module augmente linéairement avec la concentration, conformément à un comportement de type caoutchouteux. La réponse transitoire de mise en écoulement révèle une réponse à double seuil d’écoulement dans les suspensions les plus concentrées, correspondant à la rupture séquentielle des cages locales et des régions où les chaînes polymères sont interpénétrées. Une modification de ce système a été réalisée en introduisant des groupements phénylboroniques (PBA) sur les microgels et en ajoutant de l’alcool polyvinylique (PVA), permettant la formation de liaisons covalentes dynamiques multivalentes entre groupements boronates et diols. Les mesures rhéologiques ont mis en évidence un fort épaississement sous cisaillement — une augmentation de la viscosité et de l’élasticité avec le taux de cisaillement — résultant de la formation de ponts PBA–PVA entre les microgels induite par la contrainte, conduisant à la création d’un réseau transitoire. Ce processus, réversible, disparaît en présence de monodiols compétitifs comme le fructose, confirmant le rôle des liaisons dynamiques dans le comportement d’écoulement. Ces résultats soulignent l’importance des connexions interparticulaires transitoires dans la réponse non linéaire des suspensions de microgels. Dans l’ensemble, ces travaux offrent une vision cohérente de l’influence de la structure mésoscopique, de la déformabilité et des interactions réversibles sur la rhéologie des colloïdes mous. La comparaison entre émulsions, microgels et réseaux liés dynamiquement établit un cadre expérimental unifié pour comprendre les transitions d’écoulement et de déformation dans des systèmes à l’interface entre comportements colloïdaux et polymériques.