RUPTURE D’INTERFACES EN PRÉSENCE D’AGENTS DE SURFACE

19 Décembre 2008

Matthieu ROCHÉSous la direction de Hamid KELLAY

Groupe Instabilités et turbulenceCPMOH, Université Bordeaux I

Motivation

Utilisation de gouttes de cristal liquide nématique comme capteurs de contrainte

locale dans un écoulement à des échelles de 1 à 100 µm

Visualisation du réarrangement des molécules de 5CB au sein des gouttes soumises à un écoulement. Propriétés mécaniques et élastiques du cristal liquide bien connues → détermination de la contrainte modifiant l’arrangement orientationnel du cristal liquide

Un cristal liquide, le 5CB

Production d’émulsions aqueuses de 5CB

Mélange de 5CB dans une solution aqueuse contenant un agent de surface Polymère : PVA (poly (vinyle alcool))

Emulsions de 5CB

Propagation de l’orientation des molécules à l’interface vers le centre de la goutte

Modification : des propriétés mécaniques des gouttes Du motif observé sous lumière polarisée (témoin de

l’orientation des molécules)

FERNANDEZ-NIEVES, A. et al., Phys. Rev. Lett. 71, 036601

Agent de surface :PVA

Cisaillement des émulsions

ETUDE SYSTÉMATIQUE

UTILISATION DES TECHNIQUES DE MICRO-FLUIDIQUE

Cisaillement d’une émulsion aqueuse poly-disperse de cristal liquide (5CB)

Puce micro-fluidique : « tortillon »

L = 30 cmH=150 µml = 500 µm

Production de gouttes?

Production de gouttes de 5CB en présence de polymères (PVA)

dans la phase aqueuse externe

Production de gouttes de 5CB en présence de surfactant (SDS)

dans la phase aqueuse externe

Production de gouttes de 5CB possible en présence de PVA si ajout de SDS. Traitement préalable du canal nécessaire avant toute production de gouttes

Filaments lors de la rupture de jets de fluides polymériques

Observation de filaments dans le cas de la rupture de jets de fluides polymériques

AMAROUCHENE, Y. et al. , Phys. Rev. Lett. 86, 3558

Filaments observés dans notre système liés à la

présence d’un polymère ?

Problématique

Que se passe-t-il lors du processus menant à la séparation de la goutte depuis le réservoir de cristal liquide en présence d’agents de surface? Comparaison de 2 systèmes :▪ (Eau + SDS) – 5CB▪ (Eau + SDS + PVA) – 5CB

Contexte

Détachement d’une goutte à partir d’un réservoir

Cou

Cas d’un fluide classique (eau, huiles, …) dans le vide

Processus d’amincissement du cou gouverné par 3 contraintes (capillaire, inertielle et visqueuse)

Initialement : Instabilité de RAYLEIGH – PLATEAU Puis, régimes d’amincissement non-linéaires pouvant

conduire à la formation de gouttes secondaires.

EGGERS, J and VILLERMAUX, E., Rep. Prog. Phys. 71, 036601

Intérêt de notre étude

Système idéal pour étudier l’influence de la présence d’agents de surface sur la rupture d’interface entre deux fluides Deux agents de surface très différents acceptés par

notre système▪ Surfactant (SDS)▪ Polymère (PVA)

Facilité à varier les concentrations en agents de surface

Pas étudié expérimentalement dans la littérature

Montage expérimental

(Jusqu’à 50 000 fps)

Résolution spatiale micrométrique (bornée par la limite de résolution optique (~ 500 nm)) Résolution temporelle de l’ordre de quelques dizaines de microsecondes

Exemple de formation de gouttes

Solution aqueuse de SDS

SDS : Sodium Dodécyle Sulfate Surfactant anionique Concentration micellaire critique (CMC) : 8,2 mmol

(2,3 g/L) pour le système eau – air 0,1 CMC < CSDS < 5 CMC Variation du débit Qout :

1 mL/h < Qout < 12 mL/h

Visualisations

CSDS = 2 CMCQout = 5 mL/h

17 000 fps

CSDS = 2 CMCQout = 2 mL/h

24500 fps

Dynamique d’amincissement du rayon minimal du cou hmin au cours du temps

CSDS = 2 CMCQout = 2 mL/h

CSDS = 2 CMCQout = 5 mL/h

Amincissement du cou dans un système à deux fluides de viscosités finies

COHEN, I. et al. , Phys. Rev. Lett. 83, 1147

min 0 0( ) ( ) ( )ext

h t H tt

Loi d’amincissement

LISTER, J.R. and STONE, H. A., Phys. Fluids 10, 2758

l : contraste de viscosité

min

min

( )

( )hz z t

h t

min

( , )( )

( )h z t

Hh t

Tension de surface g (eau+SDS) – 5CBViscosité hext des solutions de SDS

5 ( ) ( ) 5cos( )air CB eau SDS air eau SDS CB

5 35 /air CB mN m TARAKHAN, L., Ukr. J. Phys. 51, 22

Faible variation de la viscosité en fonction de la

concentration. A 27 °C :

1 .ext mPa s

KUSHNER, L. M. et al. J. Res. Nat. Bur. Stand. 49, 85

Détermination du contraste de viscosité l

Viscosité heff du 5CB dépendante de l’orientation des molécules par rapport à la direction d’écoulement (Skarp et al., Chmielewski)

20 mPa.s < heff < 100 mPa.s

30( ) 10H

Dynamique d’amincissement du rayon minimal du cou hmin au cours du temps

CSDS = 2 CMCQout = 2 mL/hCSDS = 2 CMC

Qout = 5 mL/h

VARIATION DE LA TENSION DE SURFACE AU COURS DU TEMPS

Déplacement du rayon minimal du cou hmin au cours du temps

CSDS = 2 CMCQout = 5 mL/h

2 régimes linéaires

CSDS = 2 CMCQout = 2 mL/h

3 régimes linéaires

Corrélation entre déplacement rapide du minimum et transition 2ème vers 3ème régime linéaire

CSDS = 2 CMCQout = 2 mL/h

3 régimes linéaires

Variation de la tension de surface au cours du temps, CSDS = 2 CMC

Qout = 5 mL/h2 régimes linéaires

Qout = 2 mL/h3 régimes linéaires

5 37 /eau CB mN m ( ,2 ) 5 3,2 /eau SDS CMC CB mN m

Dynamique de la tension de surface en fonction de CSDS

Qout = 4 mL/h

Etude des profils

Adimensionnement des profils prenant en compte le déplacement du minimum

min

( , )( )

( )h z t

Hh t

min

min

( ) ( )

( )hz t z t

h t

Etude des profils

Cohen et al. : pour 20 < l <100, 5 < s+ < 9

Conclusion

En présence de surfactant : Dynamique d’amincissement caractérisée par deux modes. Etablissement des ces modes dépendante du débit Modes à 2 et à 3 régimes linéaires Variation des pentes des régimes linéaires reliée à la variation de

la tension de surface au cours du temps Diminution de la tension de surface pendant le troisième régime :

déplacement du minimum dans une zone riche en surfactant Profils self-similaires à l’approche de la rupture

POSSIBILITÉ DE MESURER LA TENSION DE SURFACE DYNAMIQUE DU SYSTÈME!

Solution aqueuse de SDS et de PVA

Poly (Vinyle Alcool) (PVA) Poids moléculaire moyen : 104 500 Da (85 000 < M

< 124 000) 0,1 CMC ≤ CSDS ≤ 5 CMCCPVA = 10 000 ppmVariation du débit externe Qout

1 mL/h < Qout < 12 mL/h

Visualisations

Qout = 2 mL/hCSDS = 0,1 CMC

11200 fps

Qout = 1 mL/hCSDS = 2 CMC

14700 fps

Dynamique d’amincissement du rayon minimal du cou hmin

Qout = 2 mL/h - CSDS = 0,1 CMC Qout = 8 mL/h - CSDS = 0,1 CMC

Déplacement du minimum au cours du temps

Qout = 2 mL/hCSDS = 0,1 CMC

Qout = 8 mL/hCSDS = 0,1 CMC

Corrélation entre régime exponentiel et déplacement du minimum

Qout = 2 mL/hCSDS = 0,1 CMC

Qout = 8 mL/hCSDS = 0,1 CMC

Influence de la concentration en SDS

0,08 CMC

2 CMC

0,15 CMC

2 CMC

Interprétation

a : OLIVEIRA, M.S. et al. , Phys. Fluids 17, 071704 b : SATTLER, R. et al. , Phys. Rev. Lett. 100, 164502

AMAROUCHENE, Y. et al. , Phys. Rev. Lett. 86, 3558

« Iterated stretching »2

E

h

1 dhh dt

Interprétation

ORIGINALITÉ DE NOTRE SYSTÈME :

POLYMÈRES PRÉSENTS À LA SURFACE DU LIQUIDE

CONDUIT À LA RUPTURE, ET NON DANS LE VOLUME.

Interprétation

Région localisée autour du cou :

faible variation du rayon le long de l’axe horizontal

Profil quasi-cylindrique

Viscosité élongationnelle

3E eff

Conclusion générale

Rupture d’un fluide dans un autre fluide en présence d’un surfactant Mise en évidence de deux nouveaux modes

d’amincissement, à 2 et à 3 régimes linéaires Corrélation entre les déplacements du minimum et

la nature du mode de décroissance du cou

MESURE DE LA TENSION DE SURFACE DYNAMIQUE DU

SYSTÈME

Conclusion générale

Rupture d’un fluide dans un autre fluide en présence de polymère et de surfactant : Observations d’une décroissance exponentielle du rayon

minimal du cou à faible concentration en surfactant Phénomène de blistering analogue à celui observé pour les

fluides polymériques Etirement des polymères présents à l’interface eau - 5CB Intensité des effets polymériques contrôlée par la quantité

de surfactant

SYSTÈME DE RHÉOLOGIE DE SURFACE POUR LES POLYMÈRES