Fragmentation des émulsions dans un écoulement de cisaillement simple

• Auteur / Autrice : Caroline Mabille
• Direction : Jérôme Bibette
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physicochimie de la matière condensée
• Date : Soutenance en 2000
• Etablissement(s) : Bordeaux 1

Mots clés

Mots clés contrôlés

Écoulement cisaillé

Résumé

Lorsqu'une émulsion est cisaillée, ses gouttes se déforment et si l'intensité du cisaillement appliqué est suffisante, elles se fragmentent en plusieurs gouttelettes. Le travail expérimental présenté dans ce mémoire est focalisé sur la fragmentation des émulsions dans un écoulement de cisaillement simple. Les influences des paramètres physico-chimiques suivants sont déterminées et analysées : temps de cisaillement, nombre capillaire, histoire de l'écoulement, polydispersité de l'émulsion, gradient de cisaillement, contrainte visqueuse, rapport des viscosités des phases interne et externe et équation rhéologique d'état de l'émulsion. Ces différentes études mettent en évidence que la fragmentation d'une émulsion polydisperse conduit quasi instantanément à une émulsion calibrée lorsque le cisaillement imposé est intense et la taille initiale des gouttes très grande devant la taille finale. Le scénario de fragmentation mis en jeu est le suivant : les gouttes de l'émulsion initiale se déforment de façon à atteindre des filaments de même rayon. Lorsque ce rayon critique est atteint, les filaments se fragmentent en un grand nombre de petites gouttelettes de même taille (typiquement en une centaine de gouttelettes) par le développement d'une même instabilité capillaire. Lorsque l'intensité du cisaillement appliqué est plus faible ou lorsque la taille initiale des gouttes est proche de la taille finale, les gouttes cassent en un petit nombre de gouttelettes (typiquement en 3 gouttelettes). La fragmentation est lente dans ce cas. On a mis en évidence l'existence d'un temps caractéristique de fragmentation très grand devant la seconde. On pense qu'il résulte de la compétition entre la déformation des gouttes et leur rétraction. Quelle que soit la cinétique de fragmentation, la taille finale des gouttes est indépendante de la polydispersité initiale, de l'histoire de l'écoulement et de l'équation rhéologique d'état de l'émulsion. Elle ne dépend essentiellement que de la contrainte visqueuse mise en jeu. Les expériences révèlent par ailleurs que pour fragmenter une émulsion, il suffit d'imposer une contrainte visqueuse qui est dix fois plus faible que la pression de Laplace des gouttes. Toutefois, l'origine microscopique de cette loi générale demeure obscure.

When an emulsion is sheared, its drops deform and if the intensity of the applied shear is large enough, they break into several droplets. The present experimental work focuses on fragmentation of emulsions in simple shear flow. The influences of the following physicochemical parameters are determined and analysed: shear time, capillary number, flow history, emulsion polydispersity, shear rate, viscous stress, viscosity ratio of the internal and external phases and rheological behaviour of the emulsion. These different studies reveal that the fragmentation of a polydisperse emulsion leads quasi instantaneously to a monodisperse one when the shear flow is intense enough and the initial size of the droplets much larger than the final one. The mechanism of fragmentation in this case is the following: the drops of the initial emulsion deform into thin liquid threads of the same radius. When this critical radius is reached, the threads disrupt into several small droplets of the same size (typically into a hundred droplets) via the development of the same capillary instability. When the intensity _of the shear flow is lower or when the initial droplet size is near the final one, drops break into few droplets (typically in 3 droplets). Fragmentation is slower in this case. We show that there is a characteristic time of fragmentation which is very larger than one second. We think that this time results from the competition between the deformation of drops and their retraction. Whatever the kinetic, the final droplet size is independent of the initial polydispersity, the flow history and the rheological behaviour of the material. It essentially depends on the viscous stress. Besides, experiences reveal that applying a viscous stress ten times lower than the Laplace pressure of the droplets is sufficient to fragment an emulsion. However the microscopic origin of this general law is still obscure.