Stabilité et rhéologie des mousses d’émulsions attractives

Stability and rheology of attractive foamed emulsions

• Auteur / Autrice : Maxime Schneider
• Direction : Anniina Salonen, Dominique Langevin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 16/10/2018
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des solides (Orsay, Essonne) - Agence spatiale européenne
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Giuseppe Foffi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anniina Salonen, Dominique Langevin, Giuseppe Foffi, Mickaël Antoni, Catherine Barentin, Marco Braibanti
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mickaël Antoni, Catherine Barentin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rhéologie

Drainage

Mousses

Émulsions

Mots clés libres

Mousse

Émulsion

Drainage

Crémage

Mûrissement

Rhéologie

Foam

Emulsion

Drainage

Creaming

Coarsening

Rheology

Résumé

Les mousses d’émulsions sont des systèmes complexes de bulles d’air et de gouttes d’huile dans l’eau. Ils sont omniprésents dans la vie de tous les jours mais leur stabilité n’est encore pas parfaitement comprise. L’objet de cette thèse expérimentale est de caractériser les propriétés rhéologiques et de comprendre les mécanismes de vieillissement de tels matériaux. Dans une première partie, j’étudie l’élasticité d’émulsions attractives dans lesquelles ont vient inclure des bulles d’air. Mes résultats montrent que si les bulles d’air sont plus rigides que l’émulsion (haute pression de Laplace), les inclusions ont pour effet le renforcement de la matrice élastique et ce phénomène peut être décrit par des modèles micromécanique. Toutefois, si les bulles sont trop petites, les prédictions ne fonctionnent plus et la restructuration des bulles et des gouttes a pour effet d’augmenter davantage le module élastique. Dans une seconde partie, j’étudie la déstabilisation de ce même système modèle par la gravité menant des études systématiques du crémage de l’émulsion et du drainage dans la mousse. J’ai monté une expérience permettant de quantifier temporellement les fractions liquides des trois fluides que sont l’huile, l’eau et l’air et décelé trois régimes dans le drainage des mousses d’émulsions. Dans un troisième temps, j’étudie le mûrissement dans les fluides visqueux dans un cas de figure modèle où la perméabilité des films et la diffusion du gaz sont négligeables afin de mettre en évidence à la fois théoriquement et expérimentalement des temps caractéristiques de relaxation des bulles en fonction de la rhéologie de la phase continue. Ces travaux de thèses permettraient de pouvoir fabriquer des mousses très stables ou des émulsions moussées plus légères et plus rigides.

Foamed emulsions are complex systems composed of air bubbles and oil droplets in water. They are ubiquitous in our daily life but their stability is still poorly understood. The aim of this experimental thesis is to characterize the rheological properties and to understand the mechanisms of ageing of such materials. In the first part, I study the elasticity of attractive emulsions in which air bubbles are included. Our results show that if the air bubbles are slightly stiffer than the emulsion (high Laplace pressure), one can observe a volume fraction dependent reinforcement of the elastic matrix that can be fully described by micromechanical models. However, below a certain size, the predictions don’t work anymore and air bubbles can restructure the emulsion and further increase its elastic modulus. In the second part, I study the gravity driven destabilization of the same system through systematic experiments of emulsion creaming and drainage of the foam. I set up an experiment to quantify the evolution of the three fluid fractions (oil, water and air). I show the existence of three drainage regimes with foamed emulsions. Thirdly, I study bubble coarsening in viscous fluids using a model experiment where the permeability of the films and the diffusion of the gas can be neglected. Combining theoretical predictions and experiments, I estimate the characteristic relaxation times that are due to the rheology of the continuous phase. These results could give insights for manufacturing new materials such as very stable foams or light and rigid foamed emulsions.