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Theses Year : 2020

Rheology of aqueous suspensions of carbon black and model yield stress fluids in their solid regime

Rhéologie des suspensions aqueuses de noir de carbone et de fluides à seuil modèles dans leur régime solide

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Abstract

In REDOX flow batteries, liquid electrolytes are used to convert chemical energy into electrical energy and vice versa for energy storage. However, the storage capacities of this type of battery depend on the concentration of the REDOX elements, in turn influenced by the element solubility, which is generally low. Our work is part of the ANR V-S-L project, which aims to improve the storage capacities of vanadium REDOX flow batteries using liquid electrolytes charged with solid vanadium salt. In addition, to achieve a more conductive electrolyte, highly conductive carbon black nanoparticles are added. Under these conditions, the electrolyte is no longer a dilute solution flowing easily as a simple fluid (water, honey, etc.) but a yield stress fluid whose behavior is essentially driven by the colloidal interactions between carbon black particles. Our objective is therefore to understand and describe the rheological behavior of aqueous carbon black suspensions loaded with vanadium salt, replaced in our study by glass beads. We first studied the carbon black suspensions alone. Standard rheometry experiments and local rheometry experiments under MRI (Magnetic Resonance Imaging) allowed us to precisely characterize the liquid regime and the solid-liquid transition of these suspensions. The study of their solid regime showed us the need to further the properties of yield stress fluids in general in their solid regime. For this, we have put in place original methods and procedures (superimpositions of oscillation on creeps, creeps then recoveries) which we first applied to several model yield stress fluids. Thus, we observed a generic elastoplastic behavior in the solid regime for which we proposed a single parameter model making it possible to describe the strains as a function of the stress. We then applied to carbon black suspensions the same procedures, which revealed a singular behavior of stiffening under deformation in their solid regime. Finally, the study of the glass beads mixture in the carbon black suspensions permitted to observe rather an early divergence in the yield stress and the elastic modulus with glass bead concentration, unlike the grain dispersions in the model yield stress fluids. By the way, we specified the flow behavior of two polysaccharides with unique rheological behavior for macromolecules: gum Arabic used to disperse hydrophobic carbon black in water and xanthan gum
Dans les batteries à flux de circulation REDOX, des électrolytes liquides sont généralement utilisées pour réaliser les opérations de conversion d’énergie chimique en énergie électrique et vice versa en vue du stockage de l’énergie. Les capacités de stockage de ce type de batterie dépendent cependant de la concentration en élément REDOX, elle-même tributaire de la solubilité des éléments, qui est généralement faible. Notre travail s’inscrit dans le contexte du projet ANR V-S-L qui a pour but d’améliorer les capacités de stockage des batteries à flux REDOX de vanadium en utilisant des électrolytes liquides chargés de cristaux solides de sel vanadium. De plus, afin de rendre l’électrolyte plus conducteur des nanoparticules de noir de carbone très conductrices sont rajoutées. Dans ces conditions, l’électrolyte n’est plus une solution diluée s’écoulant aisément comme un fluide simple (eau, miel,…) mais un fluide à seuil dont le comportement est dicté essentiellement par les interactions colloïdales entre particules de noir de carbone. Notre objectif est donc de comprendre et décrire le comportement rhéologique des suspensions aqueuses de noir de carbone chargées en cristaux de vanadium, remplacés dans notre étude par des billes de verre. Nous avons d’abord étudié les suspensions de noir carbone seules. Des expériences de rhéométrie classique et les expériences de rhéométrie locale sous IRM (Imagerie par Résonance Magnétique) nous ont permis de caractériser précisément le régime liquide et la transition solide-liquide de ces suspensions. L’étude de leur régime solide nous a montré la nécessité d’approfondir les propriétés des fluides à seuil en général dans leur régime solide. Pour cela, nous avons mis en place des méthodes et des procédures originales (superpositions d’oscillation à des fluages, fluages puis récupérations), que nous avons appliquées dans un premier temps à plusieurs fluides à seuil modèles. Nous avons ainsi observé un comportement élastoplastique générique dans le régime solide pour lequel nous avons proposé un modèle à un seul paramètre permettant de décrire les déformations en fonction de la contrainte. Nous avons ensuite appliqué aux suspensions de noir de carbone les mêmes procédures qui ont fait apparaître un comportement singulier de rigidification sous déformation dans leur régime solide. Finalement l’étude du mélange de billes de verre dans la suspension de noir de carbone, a permis d’observer une divergence assez précoce du seuil de contrainte et du module élastique avec la concentration en billes contrairement aux dispersions de grains dans les fluides à seuil modèles. Au passage nous avons précisé le comportement en écoulement de deux polysaccharides au comportement rhéologique singulier pour des macromolécules : la gomme arabique utilisée pour disperser le noir de carbone hydrophobe dans de l’eau et la gomme de xanthane
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Cite

Elie N'Gouamba. Rhéologie des suspensions aqueuses de noir de carbone et de fluides à seuil modèles dans leur régime solide. Science des matériaux [cond-mat.mtrl-sci]. Université Paris-Est, 2020. Français. ⟨NNT : 2020PESC1042⟩. ⟨tel-03211308⟩
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