Étalement de fluides complexes : lois de dépôt et étude de défauts d'étalement

The spreading of complex fluids is a key process in the industry. Classic examples are the coating of paint or protective layer, cream and make-up application on the skin, and the fabrication of paper. In all these situations, the fluids are non-Newtonian due to the presence of polymers or/and particles, resulting in more complex rheological behavior under shear. Focusing on cosmetic applications, we sought to understand how the fluid properties impact the deposited film.In the first part, we considered the spreading of polymer solutions with a flexible blade that deforms during spreading. We combined these experiments with numerical models and scaling laws. We show that the thickness of the deposited film decreases as the fluid reservoir empties leading to inhomogeneous deposits in thickness. Using Newtonian and complex fluids with well-chosen rheological properties we disentangled the effects of shear viscosity, shear-thinning, and normal stresses over the characteristics of the deposited film and the coating process. Thus, by playing on the rheological properties of the fluid, the deposits can be more or less homogeneous. We reveal two counterintuitive results: it takes more energy to spread a volume of shear-thinning fluid than a volume of a Newtonian fluid in a given time. Second, the normal stresses, which usually lead to remarkable behaviors have a strikingly negligible effect here due to the coating geometry. With yield stress fluids, specific phenomena associated with the yield make the deposits less predictable.In the second part, we studied spreading defects by focusing on the formation of aggregates, which sometimes appear during the spreading of a formulation after drying on the skin. We identified the formulation and spreading parameters that influence the development of these defects, and propose a model based on cohesion and adhesion. Finally, we suggest a criterion to limit their occurrence.L'étalement de fluides complexes est un processus clé dans l'industrie. Les exemples classiques sont le la pose d’enduit ou de peinture, l'application de crème et de maquillage et la fabrication de papier. Dans toutes ces situations, les fluides sont non-newtoniens en raison de la présence de polymères et/ou de particules, ce qui induit un comportement rhéologique complexe. En nous concentrant sur les applications cosmétiques, nous avons cherché à comprendre comment les propriétés du fluide impactent le film déposé.Dans une première partie, nous avons considéré l’étalement de solutions de polymères avec une lame flexible qui se déforme pendant l’étalement. Ces expériences ont été combinées avec des modèles numériques et des lois d'échelles. Nous montrons que l’épaisseur du film déposé diminue lorsque le réservoir de fluide se vide menant à des dépôts inhomogènes en épaisseur. En utilisant des fluides newtoniens et complexes aux propriétés rhéologiques bien choisies, nous avons caractérisé les effets de la viscosité, du caractère rhéofluidifiant, et des contraintes normales sur les caractéristiques du film déposé et du processus d’étalement. Ainsi en jouant sur les propriétés rhéologiques du fluide les dépôts peuvent être plus ou moins homogènes. Nous révélons également deux résultats contre-intuitifs : il faut plus d'énergie pour étaler un même volume en un même temps avec un fluide rhéofluidifiant qu’avec un fluide Newtonien. Deuxièmement, les contraintes normales, qui conduisent habituellement à des comportements remarquables, ont ici un effet négligeable en raison de la géométrie d’étalement. Avec les fluides à seuil, des phénomènes parasites associés au seuil rendent les dépôts moins prédictibles.Dans une deuxième partie, nous avons étudié les défauts d’étalement en se concentrant sur la formation d’agrégats apparaissant parfois lors de l’étalement d’une formulation après séchage sur la peau. Nous avons identifié les paramètres de formulation et d’étalement qui impactent l’apparition de ces défauts, et nous proposons un modèle basé sur la cohésion et l’adhésion. Enfin, nous proposons un critère à respecter pour limiter leur occurrence