Rheology: from the nano to the macroscopic scale
Rhéologie : de l'échelle nano-métrique l'échelle macroscopique
Résumé
This report draws my research activities at the university but also in industry. it constitutes an outline of the various subjects on which I am working since my PhD thesis. But, before approaching the description of the manuscript, I wish to make a small detour on a question which seems to me important. I remember, when I was in thesis with Jean-François Berret. He often asked me: " but what is the mean problem ? ". This question is the everyday life of the researcher. It allows him to investigate a problem who came from a concordance of professional and personal events. When the subject is known, the researcher approaches it firstly by his past experiences, his knowledge and his imagination. Then, his ideas are modified, tranformed and developped during his work. By the litterature digging, the researcher find some explanation, justification for his own think. When he is persuaded of the correctness of his modelisation, he define the validity domain of his interpretation. At this stage, he can pass his knowledge and so create a gratefulness which is indispensable for his well-being. In a way the "habilitation à diriger des recherches" (capability to drive researches) is a stage allowing to reach a recognition because it marks a reflexion on his research works. The report you will read, or go through or simple quickly look at is cutting in four parts. The first one is my curriculum vitae. The three others deals with my works research showed by themes. The first theme is the one that I met after my PhD thesis at the "pole européen de plasturgie" at Oyonnax in France. This experience rich in event and in meeting was fully immersion into the world of industry of plastics processing. During the past, the valley of Oyonnax was transformed passing successively to an agriculturale economy to home-made craft, especially comb, before to fall down into the processing plastic at the end of the XIXth century when the celluloid came. It is thus within an dynamic environment that I approached the plastics processing industry. Among the various subjects that I had the opportunity to handle. I voluntarily restricted the presentation to the thermoplastic injection and more precisely during the filling phase of a mould. I was deal to the second theme of the drop impact during my delegation at the particulate fluids processing center of the university of Melbourne in Australia. It still was the opportunity to exchange and to learn with a totally different organization. The objective of the problem was to understand mechanisms driving the first instants of drop impacts. For that purpose, a fast camera video camera was used and allow us to capture drops impacting solid and liquid surfaces with a frequency between 1 000 to 64 000 images per second. This experience allow me to see what human cannot see with their own eyes. Finally, the last theme is the one that I dealt in thesis and also very recently with the thesis of Yann Auffret in "a cotutelle" agreement between The university of Melbourne and the University Joseph Fourier of Grenoble. This part deals with the dynamics under flow of the viscous fluids and the elastics behaviuors of a mixtures made of: surfactants, solvents and water. Those systems are very interesting because they can form different phases at thermodynamic equilibrium. In this document I focus my attention onto three phase one isotropic and two liquid crystals. For every studied system, the macroscopic behavior, under flow, was completed by caracterisations at micro- and nano-scopic scale. The aim of those studies is to link those different scales to ensure a better undestanding of the mechanical behaviuor under flow. The common point between the various subjects is in the rheology. The flow is the heart of each of the problems and the influence of the flow on the structures in the various scales is handled as when it is possible in each of the themes. Sometimes the used fluids are Newtoniens but mostly they are visco-elastic or visco-plastics. Often they undergo profound transformations during the flows. Finally, if someone ask me : "why are you studied those fluids ?". I can reply : "because they are doing some funnny think and by this mean let me hope that humanity is not lost."
Ce mémoire retrace mes activités de recherche aussi bien universitaire qu'industrielle. Il constitue un aperçu des différents sujets de recherche sur lesquels je me suis penché. Mais avant d'aborder la description du manuscrit, je souhaite faire un petit écart sur une question qui me semble importante. Je me souviens que lorsque j'étais en thèse Jean-François Berret me demandait souvent : "Mais quel est la problématique ?". Cette question est le quotidien du chercheur. Elle lui permet de se pencher sur un problème qu'il n'a pas choisi mais qui est venu à lui par la concomitance d'évènements professionnel et personnel. Il l'aborde dans un premier temps en s'appuyant sur ses expériences passées, ses connaissances et son sens de l'imagination. Ensuite, c'est le travail sur le sujet de recherche qui petit à petit modifie, transforme et fait évoluer les idées initiales. En piochant largement dans la littérature, le chercheur tente d'expliquer le problème, il se construit une image et se persuade de sa validité. Il se remet en cause et doit savoir écouter avant d'imposer ses idées. Il définit le domaine de validité de son problème et souhaite apporter une interprétation juste, juste dans le sens de la conformité à la norme. Cette étape franchie, il pourra alors transmettre son savoir et ainsi faire naître un sentiment de recognition indispensable à son bien être. D'une certaine façon l'habilitation à diriger des recherches est une étape permettant d'atteindre cette reconnaissance puisqu'elle marque une réflexion sur soi et ses travaux de recherche. Le mémoire que vous allez lire, parcourir ou feuilleter est découpé en quatre parties. La première n'est autre que mon curriculum vitae. Les trois autres portent sur mes travaux de recherche présentés par thématiques. La première thématique est celle que j'ai rencontrée après mon doctorat au sein du Pôle Européen de Plasturgie à Oyonnax. Cette expérience riche en évènements et en rencontres m'a fait toucher du doigt le monde industriel de la plasturgie. A Oyonnax, la vallée s'est transformée avec le temps; elle est passée successivement d'une économie d'agriculture à une économie artisanale pour ensuite se tourner à la fin du XIXième siècle vers la transformation des plastiques lors de l'apparition du celluloïd. C'est donc au sein d'un environnement marqué par le dynamisme que j'ai abordé la plasturgie. Parmi les différents sujets que j'ai eu l'occasion de traiter, j'ai volontairement restreint la présentation à l'injection des thermoplastiques en phase de remplissage d'un moule. J'ai abordé la seconde thématique de l'impact de gouttes lors de ma délégation au "particulate fluids processing centre" de l'Université de Melbourne en Australie. Ce fut encore l'occasion d'échanger et d'apprendre avec une organisation totalement différente de la France. L'objectif de la problématique était de comprendre les mécanismes intervenants lors de l'impact aux premiers instants. Pour cela, une caméra rapide pouvant filmer jusqu'à 64 000 images par seconde a été utilisée pour observer et quantifier l'impact de gouttes d'eau sur une surface solide. Mon travail à tout d'abord consisté à réaliser le banc optique de mesure. Ce dernier étant mis au point, je me suis alors transformé en un nuage d'un type un peu particulier car je ne devais faire tomber qu'une seule goutte de diamètre et de vitesse contrôlée sur une surface solide ou liquide. Enfin, la dernière thématique est celle que j'ai traitée en thèse mais aussi très récemment avec la thèse de Yann Auffret en co-tutelle avec l'Université de Melbourne. Cette partie traite de la dynamique sous écoulement des fluides visqueux et élastiques constitués par des mélanges de : tensioactifs, solvants et d'eau avec ou sans écrantage des charges. La rhéologie de ces systèmes auto-assemblés est décrite pour trois phases : une isotrope et deux de cristal liquide. Pour chaque système étudié, le comportement macroscopique a été mis en parallèle avec les échelles micro- et nano-scopiques. C'est ce que l'on appelle maintenant une étude trans-échelles. Le point commun entre les différents thèmes est de façon indéniable la rhéologie. L'écoulement est le cœur de chacun des problèmes et l'influence de l'écoulement sur les structures aux différentes échelles est dans la mesure du possible traité dans chacune des thématiques. Parfois les fluides utilisés sont Newtoniens mais le plus souvent ils sont visco-élastiques ou visco-plastiques et subissent de profondes transformations lors des écoulements. Pour finir ce mémoire, une projection des perspectives est donnée. Certaines sont à court terme d'autres à long terme et enfin d'autres sont des intentions sur mes recherches futures.
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