Mûrissement et coalescence de mousses liquides

par Emilie Forel

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Emmanuelle Rio et de Dominique Langevin.

Soutenue le 19-12-2017

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Physique en Île-de-France (Paris) , en partenariat avec Université Paris-Sud (établissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire de physique des solides (Orsay, Essonne) (laboratoire) .


  • Résumé

    Les mousses sont des matériaux très largement utilisés dans l'industrie par exemple dans l'agroalimentaire ou la cosmétique. Ce sont des matériaux instables qui vieillissent au cours du temps à cause du mûrissement dû à la diffusion du gaz entre les bulles, de la coalescence qui est la fusion de deux bulles après rupture du film les séparant et du drainage dû à l'écoulement de liquide entre les bulles par gravité. Ces trois processus sont en compétition dans les mousses. Au cours de ma thèse, j'ai réalisé différentes expériences dans le but d'éliminer le drainage et d'étudier le mûrissement, la coalescence et la compétition entre les deux. Après un rappel sur la structure, le vieillissement des mousses et la description du dispositif expérimentale que j'ai mis au point pour contrôler la quantité de liquide dans la mousse, je me suis intéressée au mûrissement et à la coalescence de mousses 2D horizontales. J'ai montré tout d'abord grâce à l'analyse d'image qu'il est possible de différencier les mousses évoluant principalement par mûrissement de celles évoluant par coalescence en introduisant un paramètre de convexité sur les bulles composant la mousse. Les mousses ayant mûri sont alors utilisées pour étudier l'impact de l'humidité des mousses sur la perméabilité des films. La perméabilité est calculée à l'aide d'une nouvelle théorie prenant en compte l'humidité de la mousse. Les mousses qui coalescent, quant à elles, sont utilisées pour étudier l'impact de la fraction liquide, de la pression capillaire et de la taille des bulles sur la coalescence dans les mousses 2D. Cette étude permet de montrer qu'une analyse de ces paramètres à l'échelle de la mousse n'est pas suffisante pour conclure sur leur réel impact sur la coalescence et qu'il est nécessaire d'analyser ces paramètres à l'échelle de la bulle afin de différencier leurs effets. Pour ce faire, j'ai mis au point un programme qui permet d'isoler chaque évènement de coalescence. Ainsi, il existe une fraction liquide critique à partir de laquelle il n'y a plus de coalescence car les films entre les bulles n'existent plus. A 3D, j'ai commencé par établir un lien entre les fractions liquides surface et volumique donnant une nouvelle manière de de mesurer la fraction liquide volumique à partir d'une image de la surface. Ensuite, j'ai étudié le mûrissement de mousses humides 3D. Un des buts était de mettre en évidence la transition entre le régime sec où le rayon moyen croit comme le temps avec un exposant β =1/2 et le régime très humide où β = 1/3. J'ai réalisé des expériences de diffusion multiple de la lumière, sur des mousses confinées et trouvé de valeurs de β voisine de 1/2. Néanmoins, la mesure β dans les mousses très humides n'a pas été possible. Pour parer à cela, le projet "Soft Matter Dynamics" vise à étudier le mûrissement et le réarrangement des bulles dans les mousses humides en microgravité dans la station spatiale internationales (ISS). Mon implication dans ce projet a consisté à réaliser des protocoles de remplissage et de nettoyage de cellules en collaboration avec Airbus, à créer un programme d'automatisation de la mesure de la taille des bulles et à participer à une campagne de test du système de génération des mousses.

  • Titre traduit

    Coarsening and Coalescence of Liquids Foams


  • Résumé

    Foams are materials widely used in the industry, like in food industry or cosmetics industry for example. These are unstable materials that age over time by coarsening which is gas diffusion between bubbles, by coalescence which is the fusion of two bubbles after rupture of the film between them or by drainage which is the liquid flow between the bubbles due to gravity. These three processes are in competition in foams. During my thesis, I carried out various experiments in order to eliminate drainage and study coarsening, coalescence and the competition between them. After a quick reminder on foam structure and aging and a description of the experimental set-up that I made allowing to control the liquid content of the foam, I present coarsening and coalescence experiments of horizontal 2D foams. First, I show that it is possible to differentiate foams which evolved mainly by coarsening from those which evolved by coalescence. This is done using a convexity parameter that compares the convexity of the bubbles in the foams. The foams which coarsen are then used to study the impact of foam humidity on the films permeability. The permeability is calculated with the help of a new theory which takes into account the humidity of the foam. The coalescing foams are used to study the impact of the liquid fraction, the capillary pressure and the bubbles' size on coalescence in 2D foams. This study shows that an analysis of these parameters at the scale of the foam does not allow to conclude on their real impact on coalescence and that it is necessary to analyze these parameters at the scale of each bubble in order to differentiate their effects. To this end, I have developed a program that follow-up these bubbles and which isolate each event of coalescence. There is a critical liquid fraction above which there is no more coalescence because the films between the bubbles no longer exist. In 3D, I began by establishing link between surface and volume liquid fractions giving a new method to measure the volume liquid fraction from an image of the surface. Then, I studied coarsening of 3D wet foams. One of the goals was to show the transition between the dry regime where le mean radius increase with time as a power law, with an exponent β in the dry regime β =1/2 and the very wet regime where β = 1/3. I carried out multiple light scattering experiments on confined foams and found the values of $eta$ to be near $1/2. Nevertheless, the measurement of β in very wet foams wasn't possible. To counter this, the "Soft Matter Dynamics" project aims to study the coarsening and bubbles' rearrangement of wet foams in microgravity in the international space station (ISS). My involvement in this project consisted in the realisation of cell filling and cleaning protocols in collaboration with Airbus, the creation of a program for the automatisation of the bubbles' size measurement and the participation in a test campaign on the foam generation system.


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