Soutenance mémoire
Nœuds
Un nœud correspond à l’intersection de quatre bords de Plateau. La forme géométrique exacte des bulles, le raccord des films liquides, le nombre de voisins par bulle et la structure locale d’une mousse à l’équilibre peuvent être prédits grâce à des minimisations d’énergie à l’échelle locale et globale [16] et aux lois de Plateau [75] qui sont au nombre de trois :
— Les films liquides ont une courbure moyenne constante pilotée par l’équilibre des pressions au niveau des bulles.
— Les films se rencontrent toujours par trois en formant des angles de 120˚. Le bord de Plateau où les films s’intersectent est soumis à trois forces superficielles et n’est à l’équilibre que si l’angle entre deux films est de 120˚.
— Les bords de Plateau se rencontrent toujours par quatre en formant des angles de ≈ 109.5˚, cette valeur étant la seule permettant de respecter la seconde loi de Plateau.
Une mousse liquide est un système à structure complexe où plusieurs phénomènes physiques interviennent. Une figure rappelant les éléments constitutifs d’une mousse est proposée dans 1.11. Ces constituants, dont l’épaisseur peut atteindre l’échelle du nanomètre, sont très fragiles et peuvent facilement se percer ou se casser entraînant la déstabilisation de la mousse.
Généralités sur les milieux granulaires
Un milieu granulaire est un milieu qui se compose d’un grand nombre de grains solides athermiques, non browniens et qui, en interagissant, dissipent de l’énergie par friction ou par choc [30]. L’exemple le plus connu est le sable. Le comportement macroscopique d’un matériau granulaire dépend de l’énergie qui lui est fournie : quand l’énergie par grain est faible, le mouvement des grains les uns par rapport aux autres est faible et le milieu granulaire se comporte comme un solide. Mais quand l’énergie par grain est élevée les contacts inter-granulaires deviennent rares, on parle dans ce cas de gaz granulaire. Un matériau granulaire peut être caractérisé par sa compacité qui correspond au rapport entre le volume de l’ensemble des grains et le volume total du matériau granulaire. Pour des grains sphériques de même taille, dit monodisperses, les valeurs maximales que peut atteindre la compacité sont de 0.64 et 0.74 dans les cas d’un empilement compact aléatoire et dans le cas d’un empilement ordonné respectivement. Quand la densité d’un matériau granulaire augmente, il subit un état de blocage appelé « jamming » qui peut être comparé à une transition de phase [40]. Cette transition entre un état « mou » et un état « rigide » dépend de la compacité et de l’état de contrainte dans le système [96, 56]. Un granulaire 2D correspond à une monocouche de grains. Pour ces systèmes, l’empilement compact aléatoire est mal défini et son existence pour les systèmes monodisperses est remise en question par O’Hern et al [67]. En effet, les systèmes numériques et expérimentaux utilisés ont tendance à produire des systèmes très ordonnés. Atkinson et al [6] expliquent que l’empilement le plus probable correspond à des systèmes très ordonnés et ne permet donc pas de définir l’empilement compact aléatoire. Ils proposent de définir l’empilement compact aléatoire comme étant l’état qui correspond à l’état de jamming le plus désordonné. Cet état correspond à une fraction surfacique φMRJ = 0.826 (maximally random jammed), définie comme le rapport entre la surface projetée des sphères et la surface totale du milieu granulaire 2D.
Fracture de la monocouche
Au-delà d’une pression relative critique, les bulles chargées que nous étudions se déforment. Le film liquide au sommet de la bulle s’étire localement lors de la déformation. Cet étirement local est similaire aux fractures observées sur les radeaux de particules soumis à un gradient de tension de surface (effet Marangoni, voir section 1.3.3.3) bien que les phénomènes physiques mis en jeu soient différents. L’origine de la résistance des bulles chargées en particules peut être l’attraction entre les particules comprises dans un film liquide que nous avons mis en évidence dans le cas d’un film plan (voir partie 2.4.4). En effet, la déformation d’une bulle chargée en particules soumise à une surpression impose l’éloignement des particules les unes par rapport aux autres (voir figure 4.6) auquel les forces d’attraction interparticulaire résisteraient. La déformation par fracture observée pour les bulles chargées en particules peut par ailleurs être comparée à la rupture de matériaux fragiles. En effet ces matériaux se rompent si la contrainte dépasse une valeur critique [37] qui est une fonction du module élastique du matériau et de l’énergie de surface qui est nécessaire pour ouvrir la fracture. En adoptant une approche macroscopique, le film chargé en particules pourrait être vu comme un solide élastique 2D. Dans ce cas, les microfractures présentes à l’état initial et responsables de la rupture du matériau correspondraient aux ponts capillaires entre les particules. La contribution du poids des particules dans une déformation localisée au sommet peut être la suivante : une déformation non localisée où toutes les particules s’éloignent les unes des autres lors de l’étirement du film ne peut avoir lieu car les particules s’écouleraient vers le bas sous l’effet de leur poids (voir figure 4.7).
Forme finale d’une bulle percée
Lorsqu’une bulle de savon est percée, elle disparaît complètement. Le film qui la délimite se rétracte sous l’effet de la tension de surface. Dans cette partie, nous nous intéressons à la forme des bulles chargées en particules après qu’elles aient été percées. Les expériences d’éclatement que nous avons effectuées sur des films plans chargés en particules solides montrent que les films peuvent résister à l’éclatement si les particules sont en configuration monocouche. Dans ce cas, le film chargé résiste à l’expansion du trou qui se retrouve contenu dans le film à l’état final. Nous présentons dans cette partie les résultats d’expériences où le film délimitant une bulle chargée en particules a été percé. L’objectif de ces expériences est de savoir si les résultats obtenus grâce aux films plans peuvent être transposés au cas d’un film à courbure non nulle. Il est également intéressant d’étudier la forme finale d’une bulle chargée dont le film a été percé en vue de prédire l’évolution d’un matériau aéré renforcé par des particules solides. Si une bulle qui fait partie d’un matériau aéré chargé en particules solides ne disparaît pas lorsque son film est percé (lors d’une coalescence par exemple) alors le vieillissement du matériau aéré peut être atténué. La figure 4.18 montre des photos de bulles chargées en particules avant et après que leur film ait été percé à l’aide d’un papier absorbant. Comme c’est parfois le cas pour les films plans chargés en particules, les bulles chargées ne disparaissent pas lorsque leur film est percé. Les vues de côté permettent d’observer que les bulles chargées percées se déforment légèrement mais qu’elles ne se tassent pas complètement. Les ponts capillaires entre les particules permettraient aux bulles chargées de garder une forme proche d’une calotte sphérique. La forme de la bulle chargée et l’aire du trou à l’état final varient d’une expérience à l’autre. Aucune tendance particulière n’a été observée d’une taille de particules à l’autre mais il est possible que cet état final dépende du rayon de la bulle initiale et de l’état de la couche de particules (présence de défauts, etc). Notre étude dans le cadre de cette thèse s’est limitée à observer l’état final sans proposer de description quantitative. Il est à noter que l’expansion du trou est bloquée même pour les bulles chargées en particules de 140 µm où la configuration des particules est non définie (section 2.4.1.2). Dans le cas des films plans chargés en particules, l’expansion du trou n’est bloquée que dans le cas des films où les particules s’arrangent en monocouche. Si le blocage de l’expansion du trou a la même origine quelle que soit la courbure du film, alors la résistance des bulles chargées en particules de 140 µm pourrait indiquer que ces particules s’arrangent en monocouche.
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Table des matières
Introduction
1 Notions clés et état de l’art
1.1 Généralités sur les interfaces liquide-gaz et les films liquides
1.2 Mousses et sollicitation des films liquides lors du vieillissement
1.3 Granulaires 2D et grains aux interfaces
1.4 Particules dans les milieux aérés
1.5 Objectifs de la thèse
2 Matériaux et méthodes
2.1 Solution moussante
2.2 Particules solides
2.3 Génération d’objets chargés en particules
2.4 Structure et caractérisation d’objets chargés en particules
3 Films chargés en particules
3.1 Expériences sur les films chargés
3.2 Observations expérimentales
3.3 Dynamique de rétraction des films chargés en particules
3.4 Viscosité effective d’un film chargé en monocouche
3.5 Flambement des films chargés
3.6 Bilan énergétique et prédiction de l’état final
3.7 Conclusion
4 Bulles chargées en particules solides
4.1 Mesure et variation de pression dans les bulles chargées en particules solides : méthodes expérimentales
4.2 Perméabilité des films chargés en particules solides
4.3 Pression intérieure d’une bulle chargée en particules-Caractérisation des interfaces liquide-air chargées
4.4 Bulles chargées en surpression
4.5 Bulles chargées en dépression
4.6 Forme finale d’une bulle percée
4.7 Conclusion
Conclusion et perspectives
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