Stabilisation de mousses liquides par des charges ioniques : étude multi-échelle simultanée dans l'espace de Fourier et l'espace réel

Stabilization of liquid foams by ionic charges : a simultaneous multiscale study in Fourier and real spaces.

• Auteur / Autrice : Julien Lamolinairie
• Direction : Giovanna Fragneto, Olivier Diat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de la matière condensée et du rayonnement
• Date : Soutenance le 07/07/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Max von Laue-Paul Langevin (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Sylvain Faure
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Élise Lorenceau, Emanuel Schneck
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Anne-Laure Fameau, Fabrice Cousin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Neutrons -- Diffusion

Mots clés libres

Diffusion de neutron

Mousse liquide

Ion superchaotrope

Caractérisation multi-Échelles

Neutron scattering

Liquid foams

Superchaotropic ion

Multi-Scale characterization

Résumé

Une mousse liquide – une dispersion d’air dans un liquide – est un fluide complexe, peu dense, et aux propriétés viscoélastiques très variables en fonction de sa formulation. Ce type de fluide trouve donc des applications dans une multitude de domaines, couvrant l’industrie alimentaire pour sa légèreté et son onctuosité ; les services de lutte contre les incendies pour sa capacité à remplir de grands espaces tout en agissant comme une barrière isolante ; la décontamination de grande surface tout en minimisant la quantité d’effluents, etc. Les mousses sont ainsi omniprésentes dans la vie quotidienne. Cependant, c’est un fluide qui n’est jamais à l’équilibre thermodynamique et de ce fait qui est structurellement toujours en évolution jusqu’à ce que le gaz et le liquide qui le constitue, soient séparés. Le vieillissement de la mousse est caractérisé par des phénomènes physico-chimiques à différents temps et à différentes échelles, qui restent toujours difficiles à corréler. Cette corrélation est pourtant déterminante afin de pouvoir à terme moduler la formulation de la mousse, pour à la fois contrôler ces propriétés viscoélastiques et sa durée de vie en fonction des applications recherchées. Il est ainsi très important de caractériser une mousse dans sa globalité, de la bulle (sur une échelle du millimètre) au film inter-bulles ainsi qu’à la taille des associations des agents moussants (échelle du nanomètre). Ceci requiert la combinaison simultanée d’une grande variété de techniques expérimentales afin de suivre l’évolution multi-échelle d’une mousse.Pour relever ce défi, un nouveau dispositif a été mis au point permettant la collection simultanée des courbes d’intensité de diffusion de neutrons aux petits angles (SANS), de la conductivité électrique et d’images optiques de la mousse. Grâce au développement d’un modèle d’analyse, des informations sur la structure des films inter-bulles de la mousse, ainsi que sur les micelles et les bords de Plateau, ont été extraites des données de diffusion. La conductivité électrique, quant à elle, nous permet de déterminer avec précision la quantité de liquide dans la mousse, tandis que la technique d'imagerie fournit une caractérisation de la taille des bulles et de son évolution temporelle. La combinaison de ces résultats nous a permis notamment de décrire, pour la première fois, un isotherme de pression de disjonction en fonction de l’épaisseur moyenne des films au sein même d’une mousse en évolution. Cette approche innovante a ensuite été appliquée à une étude focalisée sur la stabilité d’une mousse formulée à partir d’un tensioactif non ionique (un alcool gras ethoxylé) auquel des charges ioniques ont été ajoutées, soit par un second tensioactif ionique (le Sodium Dodecyl Sulfate), ou par des ions nanométriques de faibles densités de charges. Dans le premier cas, l’espèce ionique vient s’ancrer dans le film de tensioactifs stabilisant la mousse par une interaction hydrophobe grâce à sa chaine grasse alors que dans le deuxième cas, l’association des nano-ions avec la monocouche de tensioactif est due à un effet de forte chaotropicité. Bien que ces deux espèces aient tendances à allonger le temps de vie d’une mousse non ionique, des similitudes et des différences subtiles sont discutées, en corrélant les observations entre les grandeurs macro- et nanométriques et en y associant la réponse rhéologique des films interfaciaux.

A liquid foam - a dispersion of air in a liquid - is a fluid that is complex by nature due to its low density and highly variable viscoelastic properties depending on its formulation. As a result, this kind of fluid finds applications in a multitude of fields, covering the food industry for its lightness and creaminess; firefighting services for its ability to fill large spaces while acting as an insulating barrier; large surface decontamination while minimizing effluent quantities, etc. Thus, foams are omnipresent in everyday life. However, this fluid never reaches thermodynamic equilibrium and is therefore structurally always evolving until the gas and liquid that constitute it are separated. The aging of foam is characterized by physicochemical phenomena at different times and length-scales, which remain difficult to correlate. This correlation is nevertheless crucial to ultimately modulate the formulation of the foam to control both its viscoelastic properties and its lifespan depending on the desired applications. It is then crucial to characterize a foam in its entirety, from the bubble (on a millimeter) to the inter-bubble film and the size of the associations of the foaming agents (nanometer scale). This requires the simultaneous combinaison of a wide variety of experimental techniques in order to track the multi-scale evolution of a foam.To address this challenge, a new device has been developed that simultaneous collects small-angle neutron scattering (SANS) data, electrical conductivity, and optical images of the foam. With the development of an analytical model, information about the structure of the inter-bubble foam films, as well as micelles and Plateau borders, were extracted from scattering data. Electrical conductivity allow us to accurately determine the amount of water in the foam, while imaging provides a characterization of the size of the bubbles and their temporal evolution. The combination of these results has allowed us, among other things, to describe a pressure-disjoining isotherm as a function of the average thickness of the films within an evolving three dimensional foam. This innovative approach was then applied to a study focused on the stability of a foam formulated from a nonionic surfactant (an ethoxylated fatty alcohol) to which ionic charges were added, either by a second ionic surfactant (sodium dodecyl sulfate) or by nanometric ions of low charge density. In the first case, the ionic species anchors itself in the surfactant film stabilizing the foam by a hydrophobic interaction due to its fatty chain, whereas in the second case the association of the nano-ions with the surfactant monolayer is due to a strong chaotropic effect. Although both species tend to extend the lifetime of a non-ionic foam, subtle similarities and differences are highlighted and discussed by correlating macro- and nanometric observations and associating a rheological response of the interfacial films.