Thèse Relations Formulation - Écoulement Vers des Procédés de Fabrication Continus de Mousses Biosourcées à Structure Contrôlée H/F - Université Grenoble Alpes

Établissement : Université Grenoble Alpes
École doctorale : I-MEP² - Ingénierie - Matériaux, Mécanique, Environnement, Energétique, Procédés, Production
Laboratoire de recherche : Laboratoire Rhéologie et Procédés
Direction de la thèse : Clément DE LOUBENS ORCID 0000000249889168
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-04-30T23:59:59

Ce projet de thèse, intitulé « Relations formulation/écoulement : vers des procédés de fabrication continus de mousses biosourcées à structure contrôlée », vise à développer des procédés innovants de foisonnement pour des mousses biosourcées liquides ou solides, en exploitant les propriétés de gélification de biopolymères pour stabiliser les interfaces gaz/liquide. Les mousses, dispersions instables de gaz dans un liquide, subissent du drainage, de la coalescence et le mûrissement d'Ostwald, menant à l'effondrement de leur structure. La production continue de mousses solides exige un contrôle fin du foisonnement, de la stabilisation et de la solidification, pour éviter la dégradation de la microstructure. La méthodologie envisagée sera multiéchelle et multidisciplinaire. Elle consistera en premier lieu à des actions au niveau dejouer sur la formulation et de sala physico-chimie (réticulation, contrôle thermique) visant à favoriser sélectivement le renforcement pour renforcer les aux interfaces ou en volume dans la phase liquideet le bulk des mousses. Suivra ensuite le développement des étapes de procédés avec, une échelle microfluidique pour observer en temps réel de la gélification, optimiser des mélanges, ... Puis une étape de scale-up avec l'optimisation du foisonnement, maîtrise de la gélification, étude des stratégies d'introduction des agents réticulants/solidifiants à l'échelle pilote. L'optimisation finale résidera en la corrélation entre cinétique de solidification et propriétés mécaniques et en des propositions de stratégies pour le design du procédé à grande échelle.

Les mousses biosourcées suscitent un intérêt croissant dans des secteurs aussi variés que l'emballage, l'isolation ou les matériaux légers, en raison de leurs atouts environnementaux (biodégradabilité, faible empreinte carbone) et économiques (ressources renouvelables, réduction de la dépendance aux polymères pétrosourcés). Contrairement aux mousses pétrosourcées, dont les procédés de fabrication (expansion thermique, réticulation chimique) sont matures mais énergivores et peu durables, les mousses biosourcées exigent des approches innovantes pour concilier performance, stabilité et scalabilité industrielle. Leur production repose sur des mécanismes physiques et chimiques distincts qui introduisent des défis spécifiques: contrôle de la cinétique de solidification, maîtrise de la microstructure et adaptation à des procédés continus.
Les mousses, qui se définissent comme une dispersion de gaz dans un liquide, sont des systèmes intrinsèquement instables. Leur vieillissement résulte de trois phénomènes majeurs : le drainage, où le liquide s'écoule entre les bulles sous l'effet de la gravité, amincissant les films liquides ; la coalescence, fusion de bulles voisines lorsque les films liquides deviennent trop fins ; et le mûrissement d'Ostwald, processus par lequel les petites bulles rétrécissent au profit des plus grosses sous l'effet des différences de pression de Laplace. Ces mécanismes, combinés, conduisent inéluctablement à la rupture de la structure de la mousse et à sa disparition progressive.
Si la stabilité des mousses repose donc avant tout sur la stabilisation des interfaces gaz-liquide et la lutte contre les mécanismes de vieillissement, leur production en continu et adaptée à du changement d'échelle - soulève aussi des défis spécifiques, notamment dans le cas des mousses solides, et la maîtrise de chaque étape de fabrication est cruciale. Foisonner, stabiliser puis solidifier une mousse de manière continue et reproductible exige de lever des verrous tant technologiques que scientifiques. D'un côté, il s'agit de contrôler finement le foisonnement pour obtenir une structure de mousse maîtrisée, tout en évitant la coalescence ou le drainage prématuré. De l'autre, la solidification doit être uniforme et contrôlée dans le temps pour ne pas compromettre la formation de la microstructure souhaitée tout en la figeant suffisamment rapidement, sans laisser le temps au mûrissement d'Ostwald ou au coarsening de dégrader la qualité du produit. La relation formulation, procédés et propriétés finales, qui reste donc encore mal comprise est, pour autant, à maîtriser pour prédire et ajuster finement les caractéristiques du produit final. Dans cette thèse, l'idée est donc d'optimiser au sein du procédé l'incorporation d'agents gélifiants et/ou structurants dont les cinétiques d'action vont directement influencer les propriétés finales.

L'objectif de ce projet de thèse est de développer des procédés de foisonnement innovants pour l'ingénierie de mousses biosourcées liquides ou solides, en exploitant les propriétés de gélification de biopolymères pour stabiliser les interfaces gaz / liquide et renforcer mécaniquement la structure des mousses. Au-delà de l'optimisation de la formulation, ce travail vise à comprendre les mécanismes de gélification in situ et de leur impact sur la structuration des mousses, afin de maîtriser la relation entre cinétique de gélification, procédé de mise en forme, et stabilité finale de la structure.

Une approche multiéchelle et interdisciplinaire sera mise en oeuvre pour atteindre ces objectifs, combinant optimisation de la formulation, développement de procédés et corrélation des paramètres cléss:
1.Optimisation de la formulation pour améliorer la structure et la stabilité des mousses. L'objectif est de concevoir des formulations innovantes permettant de stabiliser les interfaces gaz/liquide et de renforcer la structure des mousses en agissant sur:
·L'utilisation de systèmes à base de polysaccharides, tels que la pectine, combinée à l'ajout de charges comme de la cellulose, afin de renforcer la cohésion et la stabilité des mousses,
·Des actions physico-chimiques ciblées: réticulation acide ou pionique, ainsi qu'un contrôle précis de la température, afin d'ajuster les propriétés mécaniques des interfaces et du bulk.

2. Développement des procédés: de l'échelle microfluidique à l'échelle pilote
A.Etude des mécanismes à l'échelle microfluidique
Cette étape vise à comprendre les phénomènes de structuration et de gélification en temps réel pour concevoir un procédé de foisonnement reproductible à adapter ensuite à l'échelle pilote. A cet effet, les approches suivantes seront mises en oeuvre:
·Observation en temps réel de la gélification et de son impact sur la structuration de la mousse, à l'aide de systèmes microfluidiques 2D ou quasi-2D.
·Identification des conditions optimales d'injection et de mélange entre le polymère et l'agent réticulant en fonction des systèmes physico-chimiques utilisés.
·Analyse de la formation du réseau par des techniques de suivi de la mobilité moléculaire (FRAP, fluorescence) et de diffusion de particules.
·Imagerie en temps réel de la solidification, ainsi qu'une étude approfondie de la stabilité et du mûrissement des mousses.

B. . Contrôle fin de la structure et des propriétés à l'échelle pilote.
Le passage à l'échelle pilote aura pour objectif de maîtriser la structure et les propriétés des mousses, en nous appuyant sur :
·L'optimisation des paramètres de foisonnement pour garantir l'homogénéité des mousses produites.
·L'analyse de la relation entre les conditions de foisonnement et la structure finale de la mousse liquide.
·La compréhension et la maîtrise des processus de gélification et de solidification, avant, pendant et après le foisonnement.

C. Stratégies d'introduction des agents réticulants /solidifiants:
Nous évaluerons différentes stratégies pour l'introduction des agents réticulants/solidifiants à l'échelle microfluidique et à l'échelle pilote, notamment :
·Une étude comparative entre l'introduction dans la matrice initiale et la co-injection pendant le foisonnement, afin de déterminer la méthode la plus efficace.
·L'exploration des modalités d'ajout : en une fois, de manière graduelle ou par étapes, pour contrôler au mieux la cinétique de réticulation/solidification

3. Corrélation et optimisation pour le procédé à grande échelle.
L'objectif final de ces études sera de corréler les paramètres clés et d'optimiser le procédé, en vue de transposer les résultats obtenus à l'échelle pilote vers un procédé industriel :
·Établir des liens entre la cinétique de solidification et les propriétés mécaniques finales, avec un suivi post-process par imagerie en temps réel de la solidification et de la stabilité des mousses fabriquées
·Proposer des stratégies d'optimisation pour le procédé à grande échelle, garantissant le maintien de la structure et des propriétés des mousses lors de l'étape de séchage.

Diplômé(e) d'un Master 2, d'une école d'ingénieur ou d'un diplôme équivalent (Bac +5) en Génie des Procédés et/ou matière molle, le/la candidat(e) justifiera d'une forte appétence pour le travail expérimental. Il sera attendu par le/la candidat(e) de s'insérer et travailler au sein d'une équipe interdisciplinaire allant de la physique de la matière molle au Génie des Procédés et d'en maîtriser diverses techniques. Des compétences en physico-chimie des matériaux, en formulation, et en procédés seront donc des atouts supplémentaires, tout comme un bon niveau écrit et oral en langue anglaise.