Rhéologie multiéchelle des mousses liquides

Multiscale rheology of liquid foams

• Auteur / Autrice : Séverine Costa
• Direction : Sylvie Cohen-Addad, Reinhard Höhler
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 02/10/2012
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique des Matériaux Divisés et des Interfaces
• Jury : Président / Présidente : Olivier Pitois
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sylvie Cohen-Addad, Andy Kraynik
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Dominique Langevin, Michel Cloitre

Mots clés

Mots clés contrôlés

Viscoélasticité

Rhéologie

Solutions aqueuses (chimie)

Fluides complexes

Mots clés libres

Fluides complexes

Mousses aqueuses

Rhéologie

Viscoélasticité interfaciale

Relation structure-propriétés

Complex fluids

Aqueous foams

Rheology

Interfacial viscoelasticity

Structure property relationship

Résumé

Les mousses aqueuses sont des fluides complexes constitués de dispersions concentrées de bulles de gaz dans une solution de tensioactifs. A l'instar d'autres fluides complexes comme les émulsions ou les pâtes, une mousse se comporte comme un solide viscoélastique lorsque la fraction volumique de la phase continue est suffisamment faible pour que l'empilement des bulles soit bloqué. Ses propriétés mécaniques résultent de couplages entre processus se produisant à plusieurs échelles de temps et d'espace : celles des tensioactifs adsorbés aux interfaces liquide-gaz, celles d'une bulle de gaz ou de mouvements collectifs à une échelle mésoscopique. A partir de trois expériences, nous avons mis en évidence l'impact du désordre de leur structure d'une part, et celui des tensioactifs d'autre part, sur les propriétés viscoélastiques des mousses. Nous avons mis au point un rhéomètre oscillatoire qui permet de mesurer la relation contrainte-déformation-fréquence d'une monocouche de bulles confinées entre deux parois planes parallèles tout en contrôlant sa pression osmotique. Nous avons montré que les relaxations de ces mousses de structure modèle sont pilotées par la rhéologie interfaciale de cisaillement que nous avons caractérisée indépendamment. Nous proposons un modèle quantitatif de ce couplage. Dans une deuxième expérience, nous avons sondé la réponse viscoélastique des mousses de structure 3D désordonnées. Nos résultats montrent que selon la rigidité des interfaces, le facteur de perte d'une mousse est décrit par une loi d'échelle en fréquence. Son évolution avec la taille des bulles et la viscosité du liquide permet de déterminer le mécanisme à l'origine de la dissipation. Dans une troisième expérience, Nous avons élaboré des mousses monodisperses de structure 3D ordonnées et de pression osmotique contrôlée. De manière remarquable, la variation de leur facteur de perte en fonction de la fréquence est similaire à celle des mousses désordonnées de même composition chimique. Ces résultats démontrent que le désordre de l'empilement des bulles n'est pas à l'origine des relaxations viscoélastiques linéaires des mousses, comme l'avaient suggéré plusieurs modèles théoriques, et ouvrent la voie à une modélisation quantitative du lien entre la viscoélasticité des interfaces et celle des mousses 3D

Aqueous foams are constituted of concentrated gas bubble dispersions in a surfactant solution. Like other complex fluids, such as emulsions or pastes, foam behaves as a viscoelastic solid if the volume fraction of the continuous phase is sufficiently small for the bubble packing to be jammed. The mechanical properties of the foam are due to couplings between processes at a wide range of time and length scales: The ones of the surfactant molecules that are adsorbed to the gas-liquid interfaces, the ones of the bubbles or collective motions at a mesoscopic scale. On the basis of three experiments, we have evidenced the impact of structural disorder and surfactant properties on foam viscoelasticity. We have constructed an oscillatory rheometer to measure the frequency and strain dependent stress response of a bubble monolayer confined between two parallel plates, subjected to an imposed osmotic pressure. We have shown that the relaxation of these model foams are governed by the interfacial shear rheology which we have probed in independent experiments and, we present a quantitative model of this coupling. In a second experiment, we have probed the viscoelastic response of disordered 3D foams. Our results show that, depending on interfacial rigidity, the mechanical loss factor of a foam is described by a scaling law depending on frequency. Its dependence on bubble size and liquid viscosity helps to determine the origin of the dissipation. In our third experiment, we have produced monodispersed ordered foams, subjected to a controlled osmotic pressure. Remarkably, the frequency scaling of their loss factor is similar to the one of disordered foams of the same chemical composition. These results demonstrate that the linear viscoelastic response of foams is not the consequence of disorder on the bubble scale as suggested by several previous theories, and they thus open the way for quantitative models linking the viscoelasticity of the interfaces to that of 3D foams