Rheological behaviour of concentrated suspensions of soft spheres

¹ Laboratoire de chimie et physico-chimie macromoléculaire, unité associée au CNRS n° 509, université du Maine, av Olivier-Messiaen, 72017 Le Mans cedex, France.
² GoodYear Chemicals Europe, Centre technique d'Orsay, av des Tropiques, ZA de Courtaboeuf, 91952 Les Ulis, France.

Abstract

Rheological properties of concentrated suspensions of soft spheres have been studied in a concentration range where all the volume is filled by more or less swollen particles. The suspensions appear as soft gels and show a dynamic modulus which is nearly frequency independent. Under shear, an orientation of the deformed spheres at 45° from the velocity lines is observed. Since above a critical concentration, the elastic modulus appears related to the intrinsic softness of the particles, the modulus of the suspension has been calculated theoretically from a simple core-shell model of a swollen individual particle through a minimization of the free energy. A satisfactory agreement is observed with experimental data, using reasonable values of the fitting parameters.

Résumé

On étudie les propriétés rhéologiques de suspensions concentrées de sphères molles dans un domaine de concentration où tout l'espace est rempli de particules plus ou moins gonflées. Ces suspensions ressemblent à des gels fragiles et présentent un module dynamique pratiquement indépendant de la fréquence. Sous un écoulement de cisaillement, les sphères se déforment à 45° des lignes de courant. Puisqu'au dessus d'une concentration critique, le module élastique apparaît dépendant de la rigidité individuelle des particules, on propose une modélisation théorique de ces systèmes à partir d'une structure coeur-peau de chaque particule ce qui permet un calcul simple du module élastique par minimisation de l'énergie libre. L'accord avec les données expérimentales est satisfaisant en utilisant des valeurs plausibles des paramètres ajustables.