Forced Drainage on Aqueous Foams: The Effect of the Rheology of the Foaming Fluids.
Drainage des Mousses Aqueuses : Rôle de La Rhéologie du Fluide Moussant.
Résumé
The subject consisted in a study of the different physic-chemicals aspects of the aqueous foam. It is a matter to study the effect of the rheology of the foaming fluids (polymers, surfactants) on drainage and the stability of the foams, to determine the parameters governing the processes; all that according to the physical parameters (humidity of the foams, size of the bubbles, polydispersity, etc) or physicochemical (surfactants, additives, liquid, gasses, etc). This work allowed the development of a new approach in the foams problematic. The study was done by two experimental techniques: the measure of the conductivity and multiple light scattering. The measures of the viscoelastics surface parameters (elasticity, viscosity, dynamic tension) and the polymers solutions rheology was performed using a pendant drop method and rheometre.
Au cours de l'étude qui a constituée mon travail de thèse nous avons analysé le comportement de fluides complexes sur le drainage des mousses. Pour cela l'effet des propriétés physico-chimiques et rhéologique du fluide moussant en surface et en volume sur le drainage des mousses a été examiné. Plusieurs systèmes ont été étudiés et nous avons montré que le drainage est fortement influencé par les propriétés du fluide moussant.
Dans une première étape, nous avons confirmé l'effet de la viscosité de surface observé précédemment qui entraîne une transition de régime d'écoulement (parois rigides / parois mobiles) lorsque l'on augmente la viscosité de surface. En effet, d'un point de vue rhéologique, le tensioactif réduit la mobilité des interfaces sous l'action d'un écoulement. Une faible quantité d'alcool à longue chaîne (dodécanol) additionnée à un tensioactif augmente sa capacité moussante, car elle accroît notablement l'adsorption à l'interface du liquide et conduit à des interfaces rigides. Nous avons montré que le passage d'un régime à l'autre ne se fait pas de façon brutale. Ceci peut s'expliquer en terme de résistance équivalente : dans le cas limite des parois rigides, les interfaces présentent une forte résistance au cisaillement et donc la vitesse s'annule aux parois (écoulement de Poiseuille). Quand on diminue la viscosité de surface, cette résistance diminue et la contribution des bords de Plateau diminue. Elle est remplacée par la contribution des noeuds jusqu'au point ou elle domine complètement (écoulement de type bouchon). Des mesures de tension superficielle et d'élasticité de surface nous ont permis de confirmer le changement de la rhéologie de surface en présence de dodécanol.
Par la suite nous avons fixé la viscosité de surface de façon à avoir des surfaces rigides (en se basant sur les résultats précédents) et nous avons varié la viscosité de volume en utilisant un fluide newtonien (le glycérol). Dans ce cas nous avons observé aussi une transition de régime à très forte viscosité (30 mPa.s). Cette transition est sûrement liée à une diminution relative de la résistance de surface due à un couplage entre la surface et le volume.
Finalement nous avons considéré le cas de différents types de fluides non-newtoniens. L'utilisation d'un fluide viscoélastique sur le drainage forcé a montré un effet contre intuitif: on pensait ralentir le drainage en ajoutant un polymère flexible, du PEO, dans nos solutions moussantes or l'effet observé a été l'opposé. Nous avons attribué cette différence à une manifestation de la viscosité élongationelle du PEO qui intervient lors de la variation de la section des bords de Plateau au passage du front pendant l'écoulement. L'augmentation de la vitesse de drainage permet de réduire localement la fraction liquide et donc de réduire l'ouverture du bord de Plateau lors du passage du front. L'écart de vitesse entre une mousse faite avec une solution de glycérol et une solution de PEO disparaît quand on augmente la taille de bulle. Nous avons complété les mesures globales par des observations à l'échelle locale. Pour cela, nous avons étudié le drainage dans un seul bord de Plateau et mesuré la variation de la section pour deux solutions de glycérol et de PEO de même viscosité. L'ouverture de la section du bord de Plateau est plus importante dans le cas de la solution de glycérol.
Finalement une étude de l'effet de polymères ayant de fortes propriétés rhéofluidifiantes (du xanthane et du carbopole) a montré que le caractère rhéofluidifiant des solutions moussantes ne semble pas affecter le drainage. En effet, si on ramène la viscosité au taux de cisaillement crée dans la mousse, les solutions ont un comportement très similaire aux solutions de glycérol, avec une transition de régime à forte viscosité dans le cas du xanthane.
Dans une première étape, nous avons confirmé l'effet de la viscosité de surface observé précédemment qui entraîne une transition de régime d'écoulement (parois rigides / parois mobiles) lorsque l'on augmente la viscosité de surface. En effet, d'un point de vue rhéologique, le tensioactif réduit la mobilité des interfaces sous l'action d'un écoulement. Une faible quantité d'alcool à longue chaîne (dodécanol) additionnée à un tensioactif augmente sa capacité moussante, car elle accroît notablement l'adsorption à l'interface du liquide et conduit à des interfaces rigides. Nous avons montré que le passage d'un régime à l'autre ne se fait pas de façon brutale. Ceci peut s'expliquer en terme de résistance équivalente : dans le cas limite des parois rigides, les interfaces présentent une forte résistance au cisaillement et donc la vitesse s'annule aux parois (écoulement de Poiseuille). Quand on diminue la viscosité de surface, cette résistance diminue et la contribution des bords de Plateau diminue. Elle est remplacée par la contribution des noeuds jusqu'au point ou elle domine complètement (écoulement de type bouchon). Des mesures de tension superficielle et d'élasticité de surface nous ont permis de confirmer le changement de la rhéologie de surface en présence de dodécanol.
Par la suite nous avons fixé la viscosité de surface de façon à avoir des surfaces rigides (en se basant sur les résultats précédents) et nous avons varié la viscosité de volume en utilisant un fluide newtonien (le glycérol). Dans ce cas nous avons observé aussi une transition de régime à très forte viscosité (30 mPa.s). Cette transition est sûrement liée à une diminution relative de la résistance de surface due à un couplage entre la surface et le volume.
Finalement nous avons considéré le cas de différents types de fluides non-newtoniens. L'utilisation d'un fluide viscoélastique sur le drainage forcé a montré un effet contre intuitif: on pensait ralentir le drainage en ajoutant un polymère flexible, du PEO, dans nos solutions moussantes or l'effet observé a été l'opposé. Nous avons attribué cette différence à une manifestation de la viscosité élongationelle du PEO qui intervient lors de la variation de la section des bords de Plateau au passage du front pendant l'écoulement. L'augmentation de la vitesse de drainage permet de réduire localement la fraction liquide et donc de réduire l'ouverture du bord de Plateau lors du passage du front. L'écart de vitesse entre une mousse faite avec une solution de glycérol et une solution de PEO disparaît quand on augmente la taille de bulle. Nous avons complété les mesures globales par des observations à l'échelle locale. Pour cela, nous avons étudié le drainage dans un seul bord de Plateau et mesuré la variation de la section pour deux solutions de glycérol et de PEO de même viscosité. L'ouverture de la section du bord de Plateau est plus importante dans le cas de la solution de glycérol.
Finalement une étude de l'effet de polymères ayant de fortes propriétés rhéofluidifiantes (du xanthane et du carbopole) a montré que le caractère rhéofluidifiant des solutions moussantes ne semble pas affecter le drainage. En effet, si on ramène la viscosité au taux de cisaillement crée dans la mousse, les solutions ont un comportement très similaire aux solutions de glycérol, avec une transition de régime à forte viscosité dans le cas du xanthane.