Directeur(s) ou directrice(s) : Sylvie Cohen-Addad (INSP) sylvie.cohen-addad(at)insp.jussieu.fr Co-supervisor Olivier Pitois (Laboratoire Navier) Olivier.pitois(at)univ-eiffel.fr
Financement :
Description : https://hal.science/tel-04881842
Début : 2021
Fin : 2024
Doctorant.e : Nicolò Galvani
Equipe(s) : Physico-chimie et dynamique des surfaces  
Page des thèses de(s) l'équipe(s) : Physico-chimie et dynamique des surfaces  
Etat de la thèse : Thèse soutenue

Thèse soutenue le 10/12/2024

Résumé

Cette thèse explore la dynamique de murissement des dispersions de bulles dans des solutions aqueuses de tensioactifs et des émulsions concentrées, qui servent ici de modèles pour les fluides à seuil. Les mousses liquides, courantes dans diverses industries, jouent un rôle clé dans des applications allant de l’alimentation à la construction, où leurs faibles densités, grandes surfaces spécifiques et propriétés isolantes sont valorisées. Cependant, contrôler leur microstructure lors de la solidification reste un défi, en particulier en raison des mécanismes de vieillissement des mousses tels que le drainage, la coalescence et le murissement. Le murissement, qui se définit par le transfert de gaz des petites bulles vers les plus grosses, est particulièrement difficile à arrêter. L’objectif de cette thèse est d’étudier comment les fluides à seuil d’écoulement influencent le murissement des mousses humides et des liquides bulleux, en anticipant qu’un seuil de mise en écoulement suffisamment élevé pourrait contrer la croissance des bulles.

Les travaux se basent sur des expériences menées à la fois sur Terre et en microgravité, à bord de la Station Spatiale Internationale (ISS), ce qui permet d’étudier le murissement des bulles sur une large gamme de fractions liquides, allant des mousses sèches aux liquides bulleux dilués. Au sol, l’évolution de la structure de la mousse est observée par vidéo-microscopie à la surface de deux cellules de vieillissement montées sur un clinostat : l’une classique, à volume fixe, et l’autre à pression osmotique contrôlée, spécialement construite pour cette étude. En microgravité, les expériences ont été réalisées lors de la première mission de l’instrument Soft Matter Dynamics. Nous mesurons la taille et la morphologie des bulles individuelles sur des images acquises au cours du murissement, en utilisant des outils de traitement d’image et d’analyse avec des méthodes d’apprentissage automatique. Nous montrons que la distribution naturelle des tailles de bulles d’une mousse humide simple au cours de son murissement dans l’état stationnaire est hiérarchique, avec un réseau de bulles en contact et une population de petites bulles se déplaçant dans les interstices que font apparaître les premières. Une découverte clé est la transition abrupte au point de jamming entre le comportement de murissement des mousses humides, qui suit une loi de croissance parabolique de la taille moyenne des bulles, et celui des liquides bulleux, qui suit une loi de croissance cubique. De plus, nous étudions le taux de murissement moyen des bulles en fonction de la fraction liquide et montrons comment celui-ci est modifié par l’effet des petites forces adhésives observées entre les bulles. Une conséquence majeure de ces forces est que le changement de régime de murissement est observé pour une fraction liquide plus grande que celle qui caractérise le Random Close Packing des bulles sphériques.

Nous étudions le murissement des émulsions moussées en fonction de la contrainte seuil de l’émulsion et de la fraction liquide de la mousse. Nos résultats montrent comment le taux de murissement est amorti par la plasticité de l’émulsion et permettent d’évaluer les conditions d’arrêt du murissement. Notre analyse présente un diagramme complet du murissement, basé sur le nombre de Bingham et la fraction volumique de liquide, identifiant cinq régimes de murissement distincts selon trois caractéristiques : la loi de croissance moyenne, le murissement des bulles individuelles et la morphologie des bulles. Cette thèse contribue de manière significative à la compréhension de la transition entre les régimes capillaire et plastique dans les dispersions de bulles et propose des modèles pouvant décrire le comportement de murissement dans divers fluides à seuil d’écoulement.

Jury

• Marie le Merrer (Université Claude Bernard Lyon 1)  – Reviewer
• Guillaume Ovarlez (Université de Bordeaux) – Reviewer
• Christophe Raufaste (Université Côte d’Azur) – Examinator
• Frédéric Restagno (Université Paris-Saclay) – Examinator
• Olivier Pitois (Université Gustave Eiffel) – Thesis director
• Sylvie Cohen-Addad (Université Gustave Eiffel) – Thesis co-director