Contrôle du vieillissement des mousses dans les milieux visco-élastiques

Controlling foam ageing in viscoelastic media

• Auteur / Autrice : Chiara Guidolin
• Direction : Anniina Salonen, Emmanuelle Rio
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 11/05/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• 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)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Charles Baroud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anniina Salonen, Emmanuelle Rio, Arnaud Saint-Jalmes, Guillaume Ovarlez, Emanuela Del Gado, Christophe Raufaste, Véronique Bosc
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Arnaud Saint-Jalmes, Guillaume Ovarlez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Viscoélasticité

Mousse (chimie)

Mots clés libres

Mousse

Émulsion

Mûrissement

Viscoélasticité

Foam

Emulsion

Coarsening

Viscoelasticity

Résumé

Les mousses sont des dispersions concentrées de bulles de gaz dans un milieu continu,largement rencontrées dans de nombreuses applications, de l'industrie alimentaire à la cosmétique, où la phase liquide de la mousse est souvent un fluide à rhéologie complexe.Néanmoins, ces systèmes sont par nature instables: leur structure peut être modifiée aucours du temps par différents mécanismes, dont la diffusion de gaz entre les bulles due àleur différence de pression. Même si ce mûrissement a été largement étudié dans les mousses aqueuses, sa dépendance aux propriétés mécaniques de la phase liquide et sa fraction volumique manquent encore d'une compréhension approfondie. Dans cette thèse, nous étudions expérimentalement comment l'augmentation de la fraction liquide influence le mûrissement de monocouches de bulles aqueuses confinées entre deux plaques en verre. La diminution progressive et la disparition éventuelle des films minces entre les bulles entraîne une réduction du taux de mûrissement au cours du temps, que nous comparons avec les modèles existants. Nous étudions ensuite l'effet d'une phase continue viscoélastique sur le mûrissement des mousses, en remplaçant la phase aqueuse par des émulsions concentrées d'huile dans l'eau. Nous montrons que l'augmentation de l'élasticité de l'émulsion se traduit par une hétérogénéité de croissance des bulles qui modifie profondément la structure de lamousse, avec l'apparition de motifs de bulles non relaxés. Cela entraîne un retard dans lerétrécissement et la disparition des petites bulles, ce qui réduit le taux de croissance desbulles. D'autres résultats sur la dynamique de mûrissement dans ces mousses d'émulsions montrent que le mouvement des bulles pendant le grossissement est également réduit lors de l'augmentation de l'élasticité de l'émulsion. Enfin, nous montrons comment des émulsionsaérées peuvent être générées en une seule étape en mélangeant simultanément l'huile, l'airet la phase aqueuse, assurant une bonne séparation d'échelle entre les bulles de gaz et lesgouttes d'huile. En outre, nous montrons comment une technique standard de diffusion dela lumière telle que la granulométrie par diffraction laser peut être utilisée pour une mesurerapide de la taille des bulles dans des doubles dispersions de fluides ayant un indice deréfraction différent. Nos résultats sur la séparation de phase des mousses d'émulsions fournissent de nouvelles informations sur leur mécanisme de déstabilisation qui peuvent aider à contrôler la stabilité de ces systèmes complexes pour la création de nouveaux matériaux à morphologie cellulaire atypique.

Foams are concentrated dispersions of gas bubbles in a continuous medium which arewidely encountered in many applications, from food industry to cosmetics, where theirliquid phase is often a fluid with complex rheology. Nevertheless, such systems are intrinsically unstable, as their structure can be altered over time by a competition of differentmechanisms, including pressure-driven gas diffusion between the bubbles. Even thoughthis coarsening process has been widely studied in aqueous foams, its dependence on themechanical properties of the liquid phase and its volume fraction still lacks a thorough understanding. In this thesis, we first experimentally probe how an increasing liquid fractioninfluences the coarsening process of aqueous bubble monolayers confined between two glass plates. The gradual decrease and eventual vanishing of the thin film area between adjacent bubbles results in a reduction of the global coarsening rate over time, which we compare with existing models. We then investigate the effect of a viscoelastic foam continuous phase on the coarsening process, by replacing the aqueous phase with concentrated oil-in-water emulsions. We show that an increase of the emulsion elasticity results in an heterogeneous bubble growth which deeply modifies the foam structure, with the appearance of unrelaxed bubble patterns. This leads to a delay in the shrinkage and disappearance of smaller bubbles which reduces the bubble growth rate. Further investigations on the coarsening dynamics in such systems show that the motion of the bubbles during coarsening is also reduced upon increase of emulsion elasticity. Finally, we show how aerated emulsions can be generated in a single step by simultaneously mixing the oil, gas and aqueous phases, ensuring a good scale separation between gas bubbles and oil drops. Moreover, we show how a standard light scattering technique such as laser diffraction granulometry can be used for a fast measure of the bubble size also in double dispersions of fluids having different refractive index. Our results on the phase separation of foamed emulsions provide new insights on their destabilising mechanism which can help controlling the stability of such complex systems for the design of new materials with atypical cellular morphology.