Dispositif de fabrication

Conditions ext´erieures

La pi`ece o`u ont lieu les exp´eriences est thermo-stat´ee `a la temp´erature de 22˚C. Les

bords de la mousse sont en contact avec l’atmosph`ere ext´erieure, dont la pression sert de

r´ef´erence durant l’exp´erience. La monodispersit´e des bulles limite le m´ecanisme de diffusion

`

a l’int´erieur de la mousse. En effet `a l’int´erieur de la mousse monodisperse, les films sont

Figure 2.3 – films droits = diff´erence de pression entre les faces quasi nulle, films courb´es

= diff´erence de pression importante

.

presque droits, et toutes les bulles ont la mˆeme taille, on peut en conclure que la diff´erence

de pression entre deux bulles est faible, voire n´egligeable.

En revanche les bulles de bords de mousse sont en surpression par rapport `a l’ext´erieur :

elles partagent des films presque droits avec leurs voisines et un film tr`es courb´e avec

l’ext´erieur, de longueur plus importante que la longueur des autres films (voir figure2.3).

30 Chapitre 2. Dispositif exp´erimental

D’apr`es la loi de Laplace, la pression dans la bulle est plus importante que la pression

ext´erieure. Typiquement cette diff´erence de pression est ´egale `a 13,5 Pa pour une bulle de

diam`etre 4 mm avec une valeur de la tension superficielle γ = 27 mN/m. Les films ´etant

perm´eables `a l’air, il s’´etablit un processus de diffusion du gaz des bulles du bord vers

l’ext´erieur.

Composition du liquide moussant

Les mousses sont fabriqu´ees en m´elangeant de l’eau et du liquide vaisselle commercial

Palmolive `a 4 % en volume. Nous justifions le choix de cette concentration par une meilleure

stabilit´e des films. En effet les films fabriqu´es sont tr`es minces et s’amincissent de plus en

plus sous l’effet du drainage. Cette diminution de l’´epaisseur fragilise la mousse et les

bulles peuvent disparaˆıtre au contact avec la moindre poussi`ere. Pour rendre les films

plus r´esistants, nous rajoutons au moins 5% de glyc´erol `a la solution. Ce qui augmente la

viscosit´e de la solution. Nous avons mesur´e les valeurs de la tension superficielle et de la

viscosit´e de la solution pour des concentrations plus ´elev´ees. `A titre d’exemple, les valeurs

respectives de la tension superficielle et de la viscosit´e que nous avons mesur´ees dans la

sous-section 2.2.2 sont ´egales `a 27,25 mN/m et 1,73 mPa.s `a 15% de glyc´erol, 26,5 mN/m

et 3,26 Pa.s `a 40% de glyc´erol. La tension superficielleγ ne diminue pas significativement,

tandis queη augmente spectaculairement.

Propri´et´es du liquide

Mesure de la tension superficielle La valeur de la tension superficielle du liquide

moussant d´epend de sa concentration en glyc´erol. Nous l’avons mesur´ee par la m´ethode de

la goutte pendante. Il s’agit en effet de suspendre une goutte `a l’extr´emit´e d’une aiguille

et d’analyser sa forme. D’une mesure de sa forme et de sa pression, nous pouvons d´eduire

la tension superficielle de la solution par la loi de Laplace. La figure 2.4 donne la variation

de la tension superficielle avec la concentration de glyc´erol. On remarque que la tension

superficielle γ ne varie que tr`es peu en fonction de la concentration de glyc´erol : entre 10%

et 80% de glyc´erol en volume, γ n’a diminu´e que de 3,7%.

Viscosit´e de la solution Nous d´eterminons la viscosit´e de la solution en utilisant un

rh´eom`etre de Couette cylindrique qui exerce un taux de cisaillement fix´e et contrˆol´e. La

m´ethode utilis´ee pour calculer la viscosit´e est d´ecrite en annexe. La figure 2.5 reproduit

dans une ´echelle s´emi-log le comportement de la viscosit´e pour diff´erentes concentrations

de glyc´erol d’une solution moussante.

2.2. Fabrication d’une mousse bidimensionnelle 31

Figure 2.4 – Mesure deγ en fonction de la concentration en glyc´erol

La viscosit´e en volume varie sensiblement avec la concentration de glyc´erol, la variation

est tr`es forte pour les grandes valeurs de la concentration.

Bullage

La mousse est fabriqu´ee dans un cristallisoir de diam`etre 9 cm et de hauteur 5 cm. Ce

dernier doit ˆetre nettoy´e soigneusement pour ´eviter toute trace de graisse laiss´ee par les

doigts. Il est rempli `a ras-bord avec la solution de tensioactifs pour faciliter la r´ecup´eration

de la mousse par contact des bulles avec la plaque sup´erieure. En effet le tube est rempli `a

ras-bord de solution pour garder la mˆeme fraction de liquide dans toutes les exp´eriences.

Pour fabriquer la mousse, nous soufflons de l’air dans le tube cylindrique d´ej`a rempli grˆace

`

a un pousse seringue de marque Harvard raccord´e `a une buse de diam`etre 1 mm plac´ee au

fond du tube. Nous imposons un d´ebit d’air compris entre 10 mL/mn et 20 mL/mn. Pour

un d´ebit de 20 mL/mn, nous pouvons r´ecolter plus de 1000 bulles par minute, ce qui est

largement suffisant car dans les exp´eriences que nous pr´esentons, le nombre de bulles est

de cet ordre de grandeur.

Il est tr`es facile de contrˆoler la taille des bulles en :

32 Chapitre 2. Dispositif exp´erimental

Figure 2.5 – Mesure de η en fonction de la concentration en glyc´erol

effet, `a section donn´ee, le volume d’une bulle augmente avec le d´ebit [37]

– changeant le diam`etre d’ouverture `a d´ebit fix´e.

Ainsi nous pouvons avoir des bulles allant de 3 mm jusqu’`a 10 mm de diam`etre. A titre

d’exemple la figure 5.3(a) montre un histogramme6 de la distribution de surfaces des

bulles dans une mousse fabriqu´ee avec un d´ebit de 20 mL/mn. La dispersit´e de taille

σ_S/ < S >= 0.22 est relativement faible. On consid´erera par la suite que les mousses de

ce type sont quasiment monodisperses7.

Contrˆole de la fraction de liquide

Dans une mousse aqueuse, la fraction liquideφ_`repr´esente le quotient entre le volume de

liquide occup´e par la phase continue et le volume total de la mousse (phase continue+phase

discontinue). Pour mesurer la fraction liquide, il suffit de peser la cellule contenant la

mousse et par diff´erence avec le poids de la cellule vide, on obtient le poids donc le volume

du liquide. Puis par le calcul du volume total de la mousse grˆace au traitement d’images,

6. Nous revenons sur la m´ethode utilis´ee pour obtenir ce r´esultat au chapitre suivant.

7. Durant une exp´erience, une r`egle gradu´ee est pos´ee `a cˆot´e de l’image afin d’´etalonner la dimension

des bulles. Pour la mousse pr´ec´edente, 570 pixels correspondaient `a 13 cm, ce qui nous donne des bulles

dont le diam`etre moyen est ici de 4mm_±0.9.

2.2. Fabrication d’une mousse bidimensionnelle 33

Figure 2.6 – Distribution de la surface mesur´ee en pixels des bulles dans une mousse. La

surface moyenne des bulles est de 221,13 pixels avec un ´ecart-type de 49,23

on en d´eduit la fraction liquide.

Au moment du bullage, les premi`eres bulles sont rondes et occupent toute la surface

libre de la solution, elles forment ainsi un r´eseau cristallin comme dans la figure 2.7. Si nous

continuons `a buller, une deuxi`eme couche de bulles se cr´ee, ce qui augmente la hauteur de la

mousse et change la forme des bulles. En effet cette forme passe de circulaire `a polygonale.

Ceci t´emoigne de l’effet de la fraction de liquide sur la forme des bulles. Dans une mousse

3D, la forme des bulles est dict´ee par le drainage du liquide `a cause de la pesanteur : il

s’´etablit grˆace au drainage un gradient de fraction liquide `a travers le r´eseau des bords de

Plateau [39].

Pour mettre en ´evidence l’h´et´erog´eneit´e du liquide sur une mousse 3D, nous pouvons

voir une photo de mousse 3D sous l’effet de la pesanteur (voir figure 2.8). On peut observer

le changement de la fraction liquide en fonction de la hauteur. La forme des bulles passe

d’une forme ronde u contact de l’eau `a une forme poly´edrique `a cause du liquide qui draine

par le r´eseau des bords de Plateau et des noeuds quand de nouvelles couches de bulles se

cr´eent.

Les bulles en surface de la mousse sont plus s`eches que celles en profondeur. C’est

pourquoi nous avons choisi de remplir le tube `a ras-bord pour garder la mˆeme fraction

de liquide dans toutes les exp´eriences. Je d´ecrirai la m´ethode d´evelopp´ee pour calculer la

34 Chapitre 2. Dispositif exp´erimental

Figure2.7 – Exp´erience de Bragg et Nye dans un radeau de bulles parfaitement cristallin.

Cette image vient du livre de Feynman [38].

Figure 2.8 – Gradient de liquide dans une mousse dˆu `a la gravit´e.

Dans le document Réaction d'une mousse monodisperse 2D soumise à une déformation cyclique (Page 35-41)