Étude de l'inversion de phase catastrophique lors de l'émulsification de produits visqueux

Study of catastrophique phase inversion during viscous produits emulsification

• Auteur / Autrice : Johanna Maria Galindo Alvarez
• Direction : Lionel Choplin, Véronique Sadtler
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés et des produits
• Date : Soutenance le 25/03/2008
• Etablissement(s) : Vandoeuvre-les-Nancy, INPL
• Ecole(s) doctorale(s) : RP2E - Ecole Doctorale Sciences et Ingénierie des Ressources, Procédés, Produits, Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de génie chimique des milieux rhéologiquement complexes (Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Louis Salager
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lionel Choplin, Véronique Sadtler, Jean-Louis Salager, Dominique Langevin, Jean Lachaise
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Dominique Langevin, Jean Lachaise

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rhéologie

Écoulement visqueux

Mots clés libres

Emulsification

Rhéologie des émulsions

Emulsification d’huiles visqueuses

Mécanismes d’inversion

Inversion de phase catastrophique

Emulsification

Emulsion rheology

Viscous oil emulsification

Inversion mechanism

Catastrophic phase inversion

Résumé

Ce travail porte sur la description et la compréhension de l’inversion de phase catastrophique utilisée pour l’émulsification de produits visqueux, à travers l’analyse des effets de formulation et de procédé sur la fraction de phase dispersée à laquelle le processus se produit et sur les mécanismes mis en jeu. Les suivis rhéologique et conductimétrique simultanés in situ de l’émulsification ont permis, du point de vue procédé, de mettre en avant l’influence du débit d’addition de la phase aqueuse sur la formation d’émulsions multiples du type e/H/E lesquelles, en augmentant notablement la fraction de phase dispersée apparente, sont responsables de l’inversion dès de faibles fractions de phase dispersée ajoutée. Au niveau formulation, l’augmentation de la viscosité de l’huile induit de manière remarquable la tendance de cette phase à devenir le milieu dispersé, conduisant à une inversion pour de très faibles fractions de phase aqueuse et donc à des émulsions finales très concentrées (de 80 à 95% en volume). Le suivi au microscope du phénomène d’inversion de phase par l’intermédiaire d’un écoulement de type « squeezing flow », a permis d’établir les conditions et les mécanismes conduisant à une inversion complète ou seulement partielle. La viscosité relative des phases aqueuse et huileuse est responsable d’une inversion catastrophique suivant un mécanisme de type agglomération – coalescence plutôt que de type inclusion/fuite tel que généralement admis. L’établissement d’un modèle mathématique basé sur les bilans de population et le caractère fractal du phénomène a permis de décrire l’évolution de la taille des gouttes multiples ainsi que la fraction de phase dispersée ajoutée à laquelle l’inversion se produit

This study deals with the description and understanding of catastrophic phase inversion during high viscous oil emulsification, through the analysis of the effects of formulation and process variables on the dispersed phase fraction at which the inversion is triggered and on the involved mechanisms. The simultaneous follow – up in situ of viscosity and conductivity measurements allowed, from a process point of view, to emphasize on the effect that the aqueous phase addition rate has on the formation of multiple w/O/W emulsions. Due to the formation of w/o/W emulsions, the volume of the effective dispersed phase greatly increases while at the same time, if the aqueous phase is added by very small fractions inversion of the w/o/W system can occur. In relation with formulation, an increase in oil viscosity greatly increased the tendency of the oily phase to become the dispersed phase. At the same time, it promoted the formation of highly concentrated emulsions (about 80 to 95 % in volume) after the inversion had occurred. The microscopical follow-up of emulsion morphology by means of squeezing flow, allowed us to establish the conditions and mechanisms that lead to partial or complete inversion. Even though literature sources lead us believe that inversion will occur through the “inclusion/escape” mechanism, experimental results showed that the relative viscosity between the phases promoted inversion through the mechanism of “agglomeration – coalescence” rather than “inclusion/escape”. A mathematical model based on population balances and on the fractal nature of multiple emulsions allowed us to describe the multiples drop size and effective dispersed phase evolution until inversion phenomena