Rupture d’interfaces en présence d’agents de surface

1. 19 Décembre 2008 Rupture d’interfaces en présence d’agents de surface Matthieu ROCHÉ Sous la direction de Hamid KELLAY Groupe Instabilités et turbulence CPMOH, Université Bordeaux I

2. 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

3. Un cristal liquide, le 5CB

4. Production d’émulsions aqueuses de 5CB • Mélange de 5CB dans une solution aqueuse contenant un agent de surface • Polymère : PVA (poly (vinyle alcool))

5. 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) Agent de surface : PVA Fernandez-Nieves, A. et al., Phys. Rev. Lett. 71, 036601

6. Cisaillement des émulsions • Cisaillement d’une émulsion aqueuse poly-disperse de cristal liquide (5CB) Etude systématique Utilisation des techniques de micro-fluidique

7. Puce micro-fluidique : « tortillon » L = 30 cm H=150 µm l = 500 µm

8. Production de gouttes? • Production de gouttes de 5CB possible en présence de PVA si ajout de SDS. • Traitement préalable du canal nécessaire avant toute 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

9. Filaments lors de la rupture de jets de fluides polymériques Observation de filaments dans le cas de la rupture de jets de fluides polymériques Filaments observés dans notre système liés à la présence d’un polymère ? Amarouchene, Y. et al. , Phys. Rev. Lett. 86, 3558

10. 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

11. Contexte • Détachement d’une goutte à partir d’un réservoir Cou

12. 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

13. 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

14. 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

15. Exemple de formation de gouttes

16. 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

17. Visualisations CSDS = 2 CMC Qout = 5 mL/h 17 000 fps CSDS = 2 CMC Qout = 2 mL/h 24500 fps

18. Dynamique d’amincissement du rayon minimal du cou hmin au cours du temps CSDS = 2 CMC Qout = 2 mL/h CSDS = 2 CMC Qout = 5 mL/h

19. Amincissement du cou dans un système à deux fluides de viscosités finies Loi d’amincissement l : contraste de viscosité Lister, J.R. and Stone, H. A., Phys. Fluids10, 2758 Cohen, I. et al. , Phys. Rev. Lett. 83, 1147

20. Tension de surface g (eau+SDS) – 5CBViscosité hext des solutions de SDS • Faible variation de la viscosité en fonction de la concentration. A 27 °C : Kushner, L. M. et al.J. Res. Nat. Bur. Stand. 49, 85 Tarakhan, L.,Ukr. J. Phys.51, 22

21. Détermination du contraste de viscosité l • Viscosité heff du 5CB dépendante de l’orientation des molécules par rapport à la direction d’écoulement (Skarpet al., Chmielewski) 20 mPa.s< heff < 100 mPa.s

22. Dynamique d’amincissement du rayon minimal du cou hmin au cours du temps CSDS = 2 CMC Qout = 2 mL/h CSDS = 2 CMC Qout = 5 mL/h Variation de la tension de surface au cours du temps

23. Déplacement du rayon minimal du cou hmin au cours du temps CSDS = 2 CMC Qout = 5 mL/h 2 régimes linéaires CSDS = 2 CMC Qout = 2 mL/h 3 régimes linéaires

24. Corrélation entre déplacement rapide du minimum et transition 2ème vers 3ème régime linéaire CSDS = 2 CMC Qout = 2 mL/h 3 régimes linéaires

25. Variation de la tension de surface au cours du temps, CSDS = 2 CMC Qout = 2 mL/h 3 régimes linéaires Qout = 5 mL/h 2 régimes linéaires

26. Dynamique de la tension de surface en fonction de CSDS Qout = 4 mL/h

27. Etude des profils • Adimensionnement des profils prenant en compte le déplacement du minimum

28. Etude des profils Cohen et al. : pour 20 < l <100, 5 < s+ < 9

29. 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!

30. 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 CMC • CPVA = 10 000 ppm • Variation du débit externe Qout 1 mL/h < Qout < 12 mL/h

31. Visualisations Qout = 2 mL/h CSDS = 0,1 CMC 11200 fps Qout = 1 mL/h CSDS = 2 CMC 14700 fps

32. 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

33. Déplacement du minimum au cours du temps Qout = 2 mL/h CSDS = 0,1 CMC Qout = 8 mL/h CSDS = 0,1 CMC

34. Corrélation entre régime exponentiel et déplacement du minimum Qout = 2 mL/h CSDS = 0,1 CMC Qout = 8 mL/h CSDS = 0,1 CMC

35. Influence de la concentration en SDS 0,15 CMC 0,08 CMC 2 CMC 2 CMC

36. Interprétation Amarouchene, Y. et al. , Phys. Rev. Lett. 86, 3558 a : Oliveira, M.S. et al. , Phys. Fluids17, 071704 b : Sattler, R. et al. , Phys. Rev. Lett. 100, 164502 « Iterated stretching »

37. Interprétation • Originalité de notre système : • Polymères présents à la surface du liquide conduit à la rupture, et non dans le volume.

38. Interprétation Région localisée autour du cou : faible variation du rayon le long de l’axe horizontal Profil quasi-cylindrique

39. Viscosité élongationnelle

40. 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

41. 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