Rupture d’interfaces en présence d’agents de surface
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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