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This thesis deals with the mechanisms of microstructure development in polymer blends. Much work has been performed on the breakup process of immiscible systems where the dispersed phase is suspended inside another matrix. The fluids used were polymer melts or model viscoelastic fluids, and the processing flows were model shear flow or processing flows seen in industry. It is found that in industrial extruders or batch mixers, the morphology of the dispersed polymer evolves from pellets to films, and subsequently to fibers and particles. In this thesis, it is demonstrated based on force analysis that the in-situ graft reactive compatibilization facilitates breakup of the dispersed phase by suppressing slip at the interface of the dispersed phase and matrix phase. The morphology development of polymer blends in industrial mixers was simulated by performing experiments of model viscoelastic drop deformation and breakup under shear flow. Two distinct modes of drop deformation and breakup were observed. Namely, viscoelastic drops can elongate and breakup either in (1) the flow direction or (2) the vorticity direction. The first normal stress difference N1 plays a decisive role in the conditions and modes of drop breakup. Drop size is an important factor which determines to a great extent the mode of drop breakup and the critical point when the drop breakup mechanism changes. Small drops break along the vorticity direction, whereas large drops break in the flow direction. A dramatic change in the critical shear rate was found when going from one breakup mode to another. Polymer melts processed under shear flow present different morphology development mechanisms: films, fibers, vorticity elongation and surface instability. The mechanisms depend greatly on the rheological properties of both the dispersed and matrix phases, namely the viscosity ratio and elasticity ratio. High viscosity ratio and high elasticity ratio result elongation of the dispersed phase in the vorticity direction. Medium viscosity ratio and low elasticity ratio result in fiber morphology. Low viscosity ratio and high elasticity ratio result in film morphology. The surface instability is caused by the shear-thinning effect of the dispersed polymer. / Chemical Engineering

Les interactions entre des gouttes ou des bulles sont rencontrées dans de nombreuses applications industrielles et/ou environnementales. Ici, nous nous intéressons à l’électro-coalescence qui a des applications importantes comme par exemple la séparation eau/pétrole (coalescence de gouttelettes d'eau dans du pétrole). L’étude a été consacrée à l’élaboration et à la mise point de modèles basés sur les équations de Navier-Stokes et les équations régissant les champs électriques au niveau d’une seule goutte ainsi que l’interaction entre deux gouttes et plus particulièrement l’effet des forces hydrodynamiques et électrostatiques sur le mécanisme d’amincissement du film séparant les deux gouttes. Selon les cas traités, le suivi de l’interface est réalisé soit à l’aide de la méthode LS (Level Set) ou bien à l’aide de la méthode MM (Moving Mesh). Les solutions numériques ont été obtenues à l’aide du code de calcul COMSOL Multiphysics. Dans une première étape, nous avons analysé l’effet d’un champ électrique sur la déformation d’une seule goutte suspendue dans un autre fluide visqueux, pour différentes propriétés physiques et électriques des deux fluides. Le modèle a été testé et validé par confrontation avec les solutions analytiques existantes et avec des études numériques de la littérature. Nous avons examiné aussi l’influence du champ électrique sur la génération d’une goutte secondaire lors de la coalescence entre une goutte et une interface liquide-liquide déformable. Dans une seconde étape, nous avons étudié le drainage et la déformation de deux gouttes en interaction sous l’action d’une force constante. Contrairement à la théorie de lubrification basée entre autre sur l’hypothèse d’une petite déformation de l’interface, aucune hypothèse simplificatrice n’a été utilisée pour la résolution des équations, ce qui a permis d’obtenir des solutions numériques aussi bien pour les petites que pour les grandes déformations. Dans une troisième étape, nous avons examiné l’ascension d’une goutte isolée ou de deux gouttes de n-butanol dans l’eau sous l’influence de la force de flottabilité. L’évolution des vitesses terminales d’ascension des gouttes (goutte de tête/goutte suiveuse) et le drainage du film séparant les deux gouttes ont été analysées en présence et en l’absence de champ électrique. / Drops and bubbles interactions are encountered in various industrial and environmental applications. In this work, we focus on the electro-coalescence which has important industrial uses such as the destabilization of water / oil emulsions (coalescence of water droplets in oil). This study was devoted to the development and the elaboration of numerical models based on the Navier-Stokes equations and those describing the electrical field on a single drop as well as the interaction between two drops, and more particularly the effect of hydrodynamic and electrostatic forces on the thinning mechanism of the film separating the two drops. According to the treated cases, the interface tracking is achieved either by using the LS method (Level Set) or using the MM method (Moving Mesh). Numerical solutions were obtained using the commercial CFD software COMSOL Multiphysics. During the first step, we analyzed the effect of an electrical field on the deformation of a single suspended drop in another viscous fluid, for different physical and electrical properties of the two fluids. The model was tested and validated by comparison with existing analytical solutions and numerical studies found in the literature. We also analyzed the influence of the electric field on the generation of a secondary drop during the coalescence between a drop and a deformable liquid-liquid interface. In a second step, we investigated the drainage and deformation of two drops in interaction under the effect of a constant force. Unlike the lubrication theory which is based among others, on the assumption of a small interface deformation, in this work, no simplifying assumptions were used for the solution of equations, which allowed us to obtain numerical solutions for both small and large deformations. For the third step, we examined the rise of two drops of n-butanol in water under the influence of buoyancy force. The evolution of the drops terminal ascension velocity (leading drop/trailing drop), and the drainage of the film separating the two drops were analyzed in the presence and in the absence of electrical field.

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