Formation des gouttelettes

Classiquement, la formation des gouttelettes dans les micromélangeurs peut être décomposée

en trois étapes (Xu et al., 2006) :

- Une étape d’arrivée de la phase dispersée dans le canal de sortie du micromélangeur - Une étape d’amincissement progressive du film de la phase dispersée

- Une étape de rupture et de détachement de la gouttelette formée, suivie par la rétractation de la phase dispersée dans le canal d’arrivée de cette phase.

Même si ces trois étapes sont similaires pour tous les micromélangeurs, l’importance relative des phénomènes physiques conduisant à la formation des gouttelettes sera différente dans des micromélangeurs en T et en flow-focusing par exemple. Ainsi la taille et la forme des gouttelettes seront totalement influencées, entre autre, par la géométrie du micromélangeur. Malgré de nombreuses études expérimentales, l’influence des différents phénomènes physiques intervenant lors de la formation des gouttelettes est actuellement très peu comprise. Notons toutefois que trois régimes peuvent être dissociés : formation de gouttelettes au niveau

de la jonction ; formation de gouttelettes après rupture de l’écoulement à co-courant des phases après la jonction due à des instabilités de Taylor ; pas de formation de gouttelettes : écoulement à co-courant des phases dans le canal de sortie.

De manière générale, deux cas peuvent se présenter selon que les gouttelettes formées soient

confinées ou non dans le canal de sortie (Christopher et al., 2007). Une gouttelette sera

‘confinée’ si les bords de la goutte touchent de toutes parts la paroi du micromélangeur et forment ainsi des ‘bouchons’ après leur détachement dans le canal de sortie. De manière générale, une gouttelette sera plus difficilement confinée si le canal d’entrée de la phase

dispersée est de taille inférieure à celui de la phase continue (Figure 1.13).

Figure 1.13 - Formation de gouttes non confinées (a) (Xu et al., 2006) et confinées (b)(Tice et al., 2004)

L’importance relative des forces ne sera absolument pas la même dans ces deux cas. Lors de la formation de gouttelettes confinées, celles-ci réduisent le flux de phase continue, au niveau de la jonction, entre l’interface liquide et la paroi du micromélangeur. Cette obstruction induit une augmentation de pression en amont de la gouttelette dans la phase continue ce qui conduit au détachement et à la formation de la gouttelette. Dans l’autre cas, la formation des gouttelettes n’a pas véritablement d’influence sur le flux de phase continue.

De manière générale, et dans tous les micromélangeurs, les forces intervenant dans les

formations de gouttelettes sont au nombre de trois (Christopher et al., 2006; Garstecki et al.,

2006) (Figure 1.14):

- la force d’entraînement induite par la phase continue sur la phase dispersée et qui tend à tirer la gouttelette.

- la force liée à la tension interfaciale qui tend à la rétractation de la phase dispersée dans le canal initial. En effet, de manière générale, l’aire interfaciale tend à être minimisée.

- la force liée au cisaillement induit par la phase continue et due à la différence de vitesse entre les phases aqueuse et organique.

Un phénomène d’élongation de la phase dispersée est également observé et est lié à divers paramètres tels que le rapport de débits entre les phases ou bien encore le type de micromélangeur. Ainsi, il sera plus facilement marqué dans des micromélangeurs en Y qu’en

T (Cristini et al., 2004). De même, l’importance relative de ces différentes forces et

phénomènes dépend de nombreux paramètres tels que le type et la géométrie du micromélangeur, le rapport de débits des deux phases, le rapport des viscosités respectives ainsi que le matériau du dispositif.

Il est également utile de s’intéresser à la pression de Laplace qui témoigne de la rigidité de l’interface liquide-liquide et qui est proportionnelle au rapport de la tension interfaciale par le rayon de la gouttelette. Lors de l’étape d’arrivée de la phase dispersée dans le canal de sortie et de l’augmentation de la taille de la gouttelette dans ce canal, cette pression diminue sans cesse du fait de l’augmentation du rayon de la gouttelette. Ensuite, la diminution de la force de Laplace s’accompagne d’une augmentation du cisaillement de la phase continue. Au détachement de la gouttelette, la phase dispersée se rétracte dans le canal d’entrée et la pression se relaxe revenant alors à sa valeur initiale.

Dans le cas des micromélangeurs en T, à de faibles nombres capillaires, la taille des

gouttelettes peut être définie selon la relation (Garstecki et al., 2006) :

C D V V 1 w L   a   (1.21)

Dans cette expression, L est la longueur de la gouttelette (m), w est la largeur du canal de

sortie (m), et sont les débits des phases dispersées et continues respectivement. Cette

relation est indépendante des paramètres intrinsèques des fluides tels que leurs viscosités et la tension interfaciale. En fait, à de faibles valeurs du nombre capillaire, le cisaillement induit par la phase continue est très faible conduisant bien souvent à la formation de gouttelettes confinées. La formation des gouttelettes est alors prédictible à partir des deux seuls débits des phases en présence.

D

V^

C

V^

Toujours à de faibles nombres capillaires, mais dans le cas de gouttelettes non confinées, la

2006; Xu et al., 2006b). Ces études ont montré que l’augmentation de la viscosité de cette phase diminue considérablement la taille des gouttelettes formées car elle engendre une hausse des contraintes de cisaillement locales et ainsi une rupture prématurée des gouttelettes. Enfin, le rapport des viscosités est important dans le cas où le cisaillement et le confinement

influent tous deux sur la forme de la gouttelette émergente (De Menech et al. (2008)).

Figure 1.14 - Formation de gouttelettes dans des micromélangeurs en T (a) (Nisisako et al. (2002)) et en flow-focusing (b)

Dans le cas des micromélangeurs en flow-focusing, le nombre capillaire a également une grande influence sur la forme et la taille des gouttelettes. La transition entre les divers régimes rencontrés dépend notamment de ce nombre capillaire. Toutefois, au sein d’un même régime,

aucune corrélation n’a été jusqu’à présent clairement définie (Christopher et al., 2007).

Link et al. (2004) et Tan et al. (2004) se sont intéressés à la formation de gouttelettes dans des

micromélangeurs en T, à partir de gouttelettes mères. Leur technique consiste à générer en amont du micromélangeur des ‘gouttelettes mères’ qui, en arrivant sur la jonction en T, vont être soumises à une extension, et vont se briser pour former des ‘gouttelettes filles’.

Link et al. (2004) ont montré qu’il existe une relation entre le nombre capillaire et le

paramètre d’élongation initial i = li / (πwi) où li est la longueur de la goutte mère et wi sa

largeur. Ils définissent alors un nombre capillaire limite, noté Cl, au-delà duquel une

gouttelette mère se brise automatiquement.

(1.22) 2 2/3 i i l α (1/ 1) C  

Dans cette expression, est une constante adimensionnelle (égale à 1 pour des sections carrées).

Tan et al. (2004) ont réalisé une étude similaire en montrant notamment qu’il était possible de contrôler le volume des gouttelettes formées, leur concentration et de les trier par taille. Afin

de comparer leurs résultats à ceux de Link et al. (2004), ils travaillent avec des mélangeurs de

section carrée. D’autres études sont également menées avec des sections rectangulaires en guise de comparaison.

En fonction du rapport des longueurs des canaux pour Link et al. (2004) et du rapport des

débits dans les canaux pour Tan et al. (2004), des gouttelettes de deux tailles différentes

seront générées du fait de la rupture assymétrique des gouttelettes mères.