Experimental coupling of aqueous foams interfacial
and bulk properties: the cases of microgravity
imbibition and of rheology
Couplages expérimentaux des propriétés interfaciales
et volumiques des mousses aqueuses : les cas de
l'imbibition en micropesanteur et de la rhéologie
Résumé
This thesis sheds light on two problems in 3D aqueous foams physics : fluid transport by capillary imbibition and rheology. A multiscale physicochemical approach is chosen, bulk measurements being linked to measurements at the gas / liquids interfaces. To do so, different surfactants and gas have been used, in order to control interfacial properties. On top of these parameters, the effect of the liquid volume fraction has been studied.
Some capillary imbibition characteristics have been measured by optical and electrical techniques during parabolic flights, allowing the suppression of gravitational drainage. Theoretical equations correctly describe the experimental results below a liquid volume fraction of 0,12. Above this limit, I have derived a new equation taking into account another distribution of liquid within the foam. Technical results from ESA / CNES programmes phases are also reported.
Rheology has been measured in both oscillatory and continuous modes. The first mode allows to originate the aqueous foams viscoelasticity from the Laplace pressure, with a possible correction by the film thickness. Moreover, I have developed a model based on the analogy between the liquid volume fraction and a temperature. The second mode, together with DWS (Diffusing-Wave Spectroscopy), allows to link macroscopic flow to microscopic rearrangements, while taking wall slip into account. Dilatancy phenomena have been evidenced for the first time in foams. Those lead to liquid phase flows which seem to be controlled, at first glance, by the same parameters than drainage flows.
Some capillary imbibition characteristics have been measured by optical and electrical techniques during parabolic flights, allowing the suppression of gravitational drainage. Theoretical equations correctly describe the experimental results below a liquid volume fraction of 0,12. Above this limit, I have derived a new equation taking into account another distribution of liquid within the foam. Technical results from ESA / CNES programmes phases are also reported.
Rheology has been measured in both oscillatory and continuous modes. The first mode allows to originate the aqueous foams viscoelasticity from the Laplace pressure, with a possible correction by the film thickness. Moreover, I have developed a model based on the analogy between the liquid volume fraction and a temperature. The second mode, together with DWS (Diffusing-Wave Spectroscopy), allows to link macroscopic flow to microscopic rearrangements, while taking wall slip into account. Dilatancy phenomena have been evidenced for the first time in foams. Those lead to liquid phase flows which seem to be controlled, at first glance, by the same parameters than drainage flows.
Ce mémoire de thèse rapporte des résultats sur deux problèmes de la physique des mousses aqueuses tridimensionnelles : le transport de fluide par imbibition capillaire et la rhéologie. Ils sont tous deux traités par une approche physico-chimique et multi-échelles, les mesures en volume étant reliées à des mesures aux interfaces gaz / liquide. Lors de ce travail, les types de tensioactif et de gaz ont été variés de façon à contrôler les propriétés interfaciales. En plus de ces paramètres, l'effet de la fraction volumique de liquide a été étudié.
Les caractéristiques de l'imbibition capillaire ont été mesurées par des techniques optiques et électriques au cours de vols paraboliques, permettant de supprimer la composante gravitationnelle du drainage. Les équations théoriques décrivent correctement les résultats expérimentaux en dessous d'une fraction volumique de liquide de 0,12. Au delà, j'ai calculé une nouvelle équation pour tenir compte d'une autre répartition du liquide dans la mousse. Des résultats d'essais techniques liés à l'avancement de programmes ESA / CNES sont également exposés.
La rhéologie a été mesurée en modes oscillatoire et continu. Le premier mode permet d'attribuer l'origine de la viscoélasticité des mousses aqueuses à la pression de Laplace, avec une possible correction par l'épaisseur des films. En outre, j'ai développé un modèle basé sur l'analogie de la fraction volumique de liquide à une température. Le second mode, assisté par la DWS (Diffusing-Wave Spectroscopy), permet de relier l'écoulement macroscopique à des réarrangements microscopiques, tout en tenant compte du glissement en paroi. Des phénomènes de dilatance ont été mis en évidence pour la première fois dans les mousses. Ils conduisent à des écoulements de la phase liquide, qui semblent être contrôlés, à première vue, par les mêmes paramètres que les écoulements de drainage.
Les caractéristiques de l'imbibition capillaire ont été mesurées par des techniques optiques et électriques au cours de vols paraboliques, permettant de supprimer la composante gravitationnelle du drainage. Les équations théoriques décrivent correctement les résultats expérimentaux en dessous d'une fraction volumique de liquide de 0,12. Au delà, j'ai calculé une nouvelle équation pour tenir compte d'une autre répartition du liquide dans la mousse. Des résultats d'essais techniques liés à l'avancement de programmes ESA / CNES sont également exposés.
La rhéologie a été mesurée en modes oscillatoire et continu. Le premier mode permet d'attribuer l'origine de la viscoélasticité des mousses aqueuses à la pression de Laplace, avec une possible correction par l'épaisseur des films. En outre, j'ai développé un modèle basé sur l'analogie de la fraction volumique de liquide à une température. Le second mode, assisté par la DWS (Diffusing-Wave Spectroscopy), permet de relier l'écoulement macroscopique à des réarrangements microscopiques, tout en tenant compte du glissement en paroi. Des phénomènes de dilatance ont été mis en évidence pour la première fois dans les mousses. Ils conduisent à des écoulements de la phase liquide, qui semblent être contrôlés, à première vue, par les mêmes paramètres que les écoulements de drainage.