Films liquides et mousses aqueuses

Les mousses liquides sont des dispersions denses de gaz dans une matrice liquide. Ces systèmes impliquent différentes échelles de taille (figure 1) [1]. Les bulles ont des tailles typiques dans la gamme 0,1 – 10 mm. Les films de savon qui séparent les bulles ont une épaisseur de l’ordre de 1 µm. Ils sont stabilisés par la présence de tensioactifs qui forment une couche monomoléculaire en équilibre avec la phase liquide.

Les mousses ont des comportements mécaniques intermédiaires entre un fluide et un solide qui ont été récemment l’objet de nombreuses études [2]. Une partie importante de leurs propriétés rhéologiques peut être comprise à partir d’une description purement géométrique et topologique. Ainsi l’existence d’un comportement élastique à faible déformation résulte de l’augmentation de la surface développée et donc de l’énergie de surface du système [3, 4]. Au-delà d’une contrainte seuil, des réarrangements topologiques de la structure permettent une relaxation locale des contraintes élastiques [1, 5]. Néanmoins, de nombreuses propriétés rhéologiques, notamment pour des fréquences de sollicitation élevées, restent à ce jour mal comprises. Celles-ci mettent en jeu des modulations rapides des films de savon. Or ces films possèdent eux mêmes des propriétés rhéologiques bidimensionnelles complexes qui dépendent des propriétés d’échange entre les interfaces et la solution [6]. Malgré plusieurs tentatives pour obtenir une description intégrant les différentes échelles de taille [7, 8, 9], le passage de la physico-chimie des films liquides au comportement macroscopique des mousses est encore mal compris. Dans ce travail, nous nous proposons d’étudier ces liens en nous plaçant à une échelle mésoscopique de la mousse. Nous souhaitons caractériser expérimentalement les propriétés d’adhésion entre deux bulles de composition controlée et relier ces propriétés aux réponses individuelles des films liquides d’une part et à la rhéologie macroscopique de mousses d’autre part.

Après avoir introduit les notions essentielles des films liquides et des mousses aqueuses, nous décrirons, dans une deuxième partie, le montage expérimental utilisé pour former deux bulles de composition connue et les mettre au contact. Nous expliciterons le programme d’analyse d’images permettant de traiter le profil d’adhésion et de déterminer les propriétés d’adhésion de la double bulle caractérisées par le rayon de contact et l’angle de contact.

Films liquides et mousses aqueuses 

Interfaces eau/air et lms liquides

On définit une interface eau/air comme la zone de transition entre une phase liquide et une phase gazeuse. De manière générale, son épaisseur caractéristique est faible devant sa surface, ce qui amène à la traiter comme une phase bidimensionnelle où ont lieu les phénomènes d’échange entre les phases volumiques. Dans le cas de trois phases air/eau/air, on parle de film liquide et le passage d’une phase gazeuse à une autre se fait au travers de deux interfaces [12].

Tensioactif
Comme leur nom l’indique, les agents tensioactifs, ou surfactants, sont des molécules ayant des effets sur la tension de surface d’un liquide : pour des tensioactifs en solution aqueuse, leur présence tend à abaisser la valeur de g de 72 mN.m  à des valeurs typiques de 30-40 mN.m  . La figure I.3 montre une structure schématique d’un agent tensioactif. Ces molécules sont amphiphiles : elles sont composées d’une partie hydrophile et d’une partie hydrophobe. En raison de ces propriétés, elles ont une affinité plus grande avec les interfaces que les constituants purs en solution et s’adsorbent en surface. Les caractéristiques amphiphiles des tensioactifs leur confèrent également des propriétés auto-associatives : elles peuvent former spontanément des structures en solution. Les caractéristiques géométriques de ces structures dépendent fortement de la nature de ces tensioactifs et plus particulièrement du rapport d’aspect entre partie hydrophile et hydrophobe. Dans le cadre des expériences que nous allons réaliser, au-delà d’une certaine concentration, appelée concentration micellaire critique (notée cmc), les tensioactifs se regroupent sous formes de micelles sphériques (figure I.4).

Les mousses comme les films de savon présentent pour des fréquences de l’ordre du Hz des comportements rhéologiques complexes, de nature viscoélastique. Les comportements à bas taux de cisaillement sont relativement bien compris à partir d’arguments faisant intervenir la déformation du réseau de film : les phénomènes dissipatifs sont essentiellement liés aux réarrangements de structure et l’élasticité est conférée par la déformation réversible du réseau. En rhéologie linéaire, le régime observé à basses fréquences est bien identifié et correspond au couplage entre le cisaillement et les réarrangements induits par le mûrissement de la mousse. Cependant, à plus hautes fréquences, l’évolution des modules G0 et G00est encore mal comprise et difficile à appréhender expérimentalement, les expériences sur des bulles uniques faisant généralement intervenir des conditions d’ancrage fortes aux parois. Pour coupler les différentes échelles mises en jeu dans ces processus à hautes fréquences, nous proposons de réaliser une expérience entre deux bulles de savon et de suivre l’évolution des propriétés d’adhésion à la sollicitation individuelle des films.

Imagerie

Les images des profils de bulle simple ou de double bulle sont obtenues au moyen d’un dispositif optique composé d’une source lumineuse, d’un objectif et d’une caméra CCD reliée à l’ordinateur. Deux exemples d’images capturées pour la bulle oscillante et pour la double bulle sont montrés sur la figure II.5. La source lumineuse est un éclairage diffusant Schott Backlight composé d’un réseau carré de diodes lumineuses devant lequel est fixé un écran diffusant. On obtient ainsi un éclairement relativement homogène. L’image est recueillie sur la caméra à l’aide d’un objectif télécentrique de type Navitar 6X qui permet une mesure précise de longueur et d’angle et améliore nettement le contraste des images. Nous avons utilisé deux caméras de résolution 1024 1280 pixels : une caméra Pulnix 1320-CL pouvant acquérir jusqu’à 15 images par seconde et une caméra Mikrotron MC-1310 pouvant acquérir 300 images par secondes. La taille d’un pixel est de 6,7 µm pour la caméra Pulnix et de 12 µm pour la caméra Mikrotron.

Interfaçage

Le moteur utilisé pour les déplacements de la double bulle et les oscillations de la bulle est commandé par un contrôleur permettant de programmer des courses de déplacement linéaire ou oscillatoire. Cet appareil peut lui-même être interfacé par le procotole IEEE-488. La sortie de la caméra Pulnix est directement envoyée sur une carte d’acquisition vidéo et la sortie analogique du capteur est envoyée sur une carte d’acquisition analogique-numérique . Un programme de commande a été developpé sous Labview pour pouvoir simultanément contrôler les mouvements du moteur et les acquisitions de la caméra et du capteur de pression. Après entrée de la séquence d’instructions en mémoire du contrôleur et initialisation des cartes d’acquisition, le temps de l’expérience, la position du moteur, l’image capturée par la caméra et la tension sortant du capteur de pression sont enregistrés à une fréquence limitée par la fréquence d’acquisition vidéo.

Solutions étudiées
Les tensioactifs utilisés dans cette étude ont été achetés chez Sigma-Aldrich. Nous avons concentré notre travail sur l’étude d’un tensioactif cationique, le trimethyltetradecylammonium bromide (TTAB) (figure II.6(a)) de masse molaire 336,41 g.mol  . Ce tensioactif est couramment utilisé et a fait l’objet de nombreuses études aussi bien à l’échelle des films de savon [14, 59, 60, 61, 62, 63, 64] que des mousses aqueuses [65, 66, 67, 68, 69]. Sa concentration micellaire critique dans l’eau pure est égale à 3,5.10 3 mol.L  soit 1,03 g.L  . Dans la suite, nous nous plaçons à une concentration de 3 g.L  , bien au-dessus de la cmc. Afin de diminuer le drainage des solutions de tensioactif utilisées, la viscosité volumique du solvant est augmentée en utilisant du glycérol (figure II.6(b)), de densité 1,262 et de viscosité 1410 mPa.s. Les fractions indiquées pour les mélanges eau/glycérol sont exprimées en pourcentage du volume total.

Table des matières

Introduction
I Films liquides et mousses aqueuses
Introduction
I.1 Interfaces eau/air et films liquides
I.1.a. Tension de surface
I.1.b. Approche thermodynamique de Gibbs
I.1.c. Isotherme de tension de surface
I.1.d. Double interface
I.1.e. Courbure et pression
I.2 Rhéologie interfaciale
I.2.a. Élasticité et viscosité interfaciale
I.2.b. Module dilatationnel d’élasticité
I.2.c. Modèles rhéologiques de surface
I.3 Mousses aqueuses
I.3.a. Définition
I.3.b. Description géométrique
I.3.c. Évolution des mousses
I.4 Rhéologie des mousses
Conclusion
II Partie expérimentale
Introduction
II.1 Montages expérimentaux
II.1.a. Formation d’une bulle
II.1.b. Montage de la bulle oscillante
II.1.c. Montage de la double bulle
II.1.d. Imagerie
II.1.e. Interfaçage
II.1.f. Solutions étudiées
II.1.g. Protocole expérimental
II.2 Traitement d’images
II.2.a. Extraction de profils d’une bulle
II.2.b. Reconstitution des profils
II.2.c. Rayon et angle de contact
II.2.d. Reconstitution du bord de Plateau
II.2.e. Calibration optique
III Bulles de savon au contact
Introduction
III.1 Expérience de mise au contact
III.1.a. Évolution du rayon de contact
III.1.b. Évolution de l’angle de contact
III.1.c. Origine de la déviation de l’angle de contact
III.2 Simulations de l’expérience de la double bulle
III.2.a. Méthode numérique
III.2.b. Configuration d’équilibre
III.2.c. Effet du rayon de contact et du volume du bord de Plateau
III.3 Modèle de tension de ligne négative
III.3.a. Décoration et excès d’énergie
III.3.b. Effet de la courbure de la ligne triple
III.3.c. Expression littérale dans le cas de la double bulle
III.4 Validation de la correction statique
III.4.a. Validation numérique
III.4.b. Validation expérimentale
III.4.c. Limites expérimentales de la correction du bord de Plateau
Conclusion

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