Rhéologie d'interface liquide/air chargées de grains : vers la consolidation d'un milieu aéré

Rheology of grain-loaded liquid/air interfaces : towards the consolidation of an aerated medium

• Auteur / Autrice : Yousra Timounay
• Direction : Florence Rouyer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des Matériaux
• Date : Soutenance le 11/10/2016
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Navier (Paris-Est) - Laboratoire Navier / NAVIER UMR 8205
• Jury : Président / Présidente : Pierre-Yves Lagrée
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Florence Rouyer, Élise Lorenceau, Hamid Kellay
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Manouk Abkarian, Cécile Monteux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mousse (chimie)

Rhéologie

Interfaces gaz-liquide

Viscosité

Mots clés libres

Milieu aéré

Interface

Stabilité

Aerated medium

Interface

Stability

Résumé

Les mousses liquides sont dans un état métastable. Un moyen de les stabiliser est d’y incorporer des particules solides. Lorsqu’elles sont hydrophobes, ces particules s’attachent aux interfaces liquide-air de la mousse et changent radicalement la rhéologie des films séparant les bulles. L’objectif de cette thèse est d’étudier expérimentalement deux composants élémentaires des mousses chargées en particules, à savoir les films et les bulles. La rhéologie des films particulaires est sondée grâce à des expériences d’éclatement et de compression alors que la résistance des bulles armurées est étudiée en faisant varier leur pression interne. En utilisant l’imagerie rapide, nous montrons d’abord que les particules qui pontent les deux interfaces du film peuvent inhiber l’ouverture d’un trou et que pour les autres configurations, la dynamique de rétraction peut être décrite par un équilibre inertio-capillaire pour des fractions surfaciques en particules <0.6 environ. L’étude de la dynamique de rétraction des films particulaires par Particle Image Velocimetry a permis de les caractériser par une viscosité effective qui diverge à la transition de jamming. De plus, les films particulaires flambent à fraction surfacique en particules élevée indiquant une transition d’un comportement liquide vers un comportement solide. En ce qui concerne les bulles particulaires, nous avons montré l’existence de pressions critiques 10 fois plus grandes que la pression de Laplace avant que les bulles ne se déforment aussi bien en dépression qu’en surpression ; la tension effective dans le plan de la coque granulaire est donc 10 fois plus importante que la tension dans un film liquide. Une fracture, correspondant à l’étirement du film liquide, est par ailleurs observée sur les bulles particulaires en surpression. En adoptant une approche élastique, le critère de Griffith permet de retrouver le bon ordre de grandeur de la pression de fracture

Liquid foams are in a metastable state. One way to stabilize them is incorporating solid particles. When hydrophobic, these particles attach to liquid-air interfaces of the particle-laden foam inducing a drastic change in the rheology of the films between bubbles. The aim of this thesis is to study experimentally two elementary components of particle-laden foams, namely soap films and bubbles. The rheology of particulate films is probed through bursting and compression experiments while the resistance of armored bubbles is studied by inner pressure variations. Using high speed photography, we first show that particles bridging both liquid-air interfaces of a liquid film can resist hole opening and that the retraction dynamics for the other configurations can be described by a balance between inertia and capillarity for surface fractions of particles <0.6 approximately. Then studying the retraction dynamics of particulate soap films by Particle Image Velocimetry, we characterized these systems by an effective viscosity that diverges at the jamming transition. Moreover, buckling is observed at high surface fraction of particles indicating a transition from liquid-like to solid-like behavior. Concerning particulate bubbles, we showed the existence of pressure thresholds 10 times greater than Laplace pressure that need to be exceeded in order to observe a deformation in depression and overpressure experiments; the effective tension in the granular shell is thus 10 times greater that the tension in a liquid film. When inflated, a fracture corresponding to the stretching of the liquid film appears on particulate bubbles. Through an elastic approach, Griffith’s criterion gives the right order of magnitude of fracture pressures