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Theses Year : 2006

Behaviour of hydrogels swollen in polymer solutions under mechanical action

Comportement d'hydrogels gonflés dans des solutions de polymères sous action mécanique

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Abstract

The behaviour of highly swollen polyelectrolyte gels containing linear polymer solutions submitted to mechanical stresses (shear, compression) was studied using rheo-optical tools in order to gain understanding in gel behaviour and to open the way towards the application of hydrogels in cosmetic applications. Shear stresses were imposed on isolated gel particles suspended in a silicone oil matrix. Different regimes were identified: at the lowest stresses, the particle only deforms, but less than a droplet of its solvent would do. Above a first threshold stress, release of some solvent is observed in the flow direction. The solvent tips stay attached to the particle. The solvent can be detached and dispersed into the matrix at stresses above a second critical stress. Release and ejection were also observed in the vorticity direction. Important volumes of solvent can be set free. The effects of particle size, degree of swelling, polymer solution concentration and interfacial tension were evaluated. The compression tests were executed with gel disks swollen at equilibrium in water or in a polymer solution and surrounded by air. The gel deforms and releases some solvent as soon as it undergoes some stress. The thermodynamical analysis of such system predicts that release is more important for weakly charged gels than for neutral-ones.
Le comportement d'hydrogels polyélectrolytiques gonflés de solutions de polymère linéaires soumis à une contrainte mécanique (cisaillement, compression) est étudié avec des outils rhéo-optiques afin d'obtenir une meilleure compréhension du comportement de gel et d'ouvrir la voie vers des applications dans des formulations cosmétiques. L'étude en cisaillement a été effectuée avec des particules de gel isolées suspendues dans une matrice d'huile silicone. Différents régimes ont été identifiés: a faible contrainte, la particule se déforme, mais moins qu'une goutte de son solvant. Au-delà d'un premier seuil de contrainte, nous observons le relargage de bouts de solvant dans la direction de l'écoulement. Ces bouts restent attachés à la particule. Le solvant est libéré et dispersé dans la matrice au-delà d'une deuxième contrainte seuil. Relargage et éjection ont également été observés dans la direction de la vorticité. Des volumes importants de solvant peuvent être libérés. Les effets de la taille de la particule, du degré de gonflement, de la concentration de la solution de polymère et de la tension interfaciale ont été étudiés. L'étude en compression a été réalisée avec des disques de gels gonflés à l'équilibre d'eau ou d'une solution de polymère et entourés d'air. Le gel se déforme et relargue partiellement son solvant dès qu'il est soumis à une contrainte. L'analyse thermodynamique d'un tel système prédit que ce relargage est plus important pour des gels chargés que pour des gels neutres.
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Dates and versions

pastel-00001864 , version 1 (06-09-2006)

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  • HAL Id : pastel-00001864 , version 1

Cite

Sylvie Vervoort. Behaviour of hydrogels swollen in polymer solutions under mechanical action. Engineering Sciences [physics]. École Nationale Supérieure des Mines de Paris, 2006. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨pastel-00001864⟩
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