Mousses chargées en particules

Drainage et mûrissement

Les travaux visant à mesurer l’effet de l’ajout de particules dans des mousses aqueuses sur le drainage et le mûrissement sont très peu nombreux. On peut cependant citer une étude de A. Britan et al. [8] qui traite de ces sujets.

Les systèmes en question sont des mousses chargées en cendres de charbon pour une fraction volumique gazeuse initiale d’environ 80% et des bulles de quelques dizaines de microns. Les photos des systèmes fournies dans l’article font apparaître une grande poly- dispersité de taille de bulles et permettent d’affirmer que les échantillons sont relativement peu contrôlés.

Les particules utilisées ont une densité de ≈ 2000 kg/m3_{, et sont encore plus polydis-}

perses que les bulles, elles présentent une distribution bimodale allant de 0, 1 µm à 80 µm avec deux pics : ≈ 0, 3 µm et ≈ 30 µm.

Ces informations nous indiquent que dans ces conditions, il est difficile de prendre en compte les effets de la taille des particules.

Seule la concentration granulaire semble réellement contrôlée, c’est le paramètre d’étude de ce travail.

— L’évolution du front de liquide drainé est suivi à l’aide d’une caméra : les vitesses de drainage reliées au premier régime ainsi que les hauteurs d’équilibre des fronts sont mesurées.

— Des mesures de fraction liquide pour trois altitudes sont réalisées par mesure de conductance électrique.

— Les diamètres d’un échantillon représentatif de bulles sont mesurés pour trois alti- tudes à l’aide de caméras.

Les résultats montrent que l’effet des particules sur le mûrissement est relativement limité, même si en leur présence, les bulles disproportionnent dans une moindre mesure. Cet effet est d’autant plus fort que que la fraction en grains est grande (1.18).

En revanche, l’effet sur le drainage est plus spectaculaire, il se manifeste dans un pre- mier temps par une diminution de la vitesse puis, par une réduction de la hauteur de liquide drainé à l’équilibre. Ces effets de ralentissement augmentent eux aussi avec la frac- tion en grains.

Il est montré que la prise en compte de la diminution de la fraction volumique liquide due à la présence des particules (ici la fraction interstitielle qui est composée du liquide et des particules par rapport au volume total de la mousse n’est pas variée) ne peut expliquer à elle seule la réduction de la vitesse de drainage.

Figure 1.18 – (a) Hauteur de liquide drainé en fonction du temps. (b) Rayon des bulles en fonction du temps à trois altitudes. (c) Fraction liquide à trois altitudes. Ces données concernent une mousse sans particules et une mousse chargée en particules (ϕp = 0, 16).

Les courbes en pointillés sont des modèles proposés par les auteurs. Extrait de [8]

sa stabilité vis-à-vis du drainage. Cependant, si l’augmentation de la fraction en particules apparaît comme essentielle dans la réduction de la vitesse de drainage et de la hauteur de liquide drainé, on ne sait rien de l’influence de la taille des particules ni de celle des bulles. Pour comprendre le rôle de ces paramètres, il est indispensable de les contrôler plus fine- ment, de travailler avec des systèmes de mousses monodisperses et avec des suspensions également monodisperses.

Dans ces conditions, une étude au niveau de la structure de la mousse peut être en- visagée, en s’intéressant en particulier à l’effet des particules lorsqu’elles sont entre les bulles, à l’intérieur du réseau interstitiel.

D’autre part, la figure 1.18 montre un mûrissement significatif au bout de 3000 se- condes avec un facteur 2 sur le diamètre des bulles. Au même instant, le processus de drainage n’est pas terminé puisque, à t = 3000 sec, seule la moitié du liquide à drainer pour atteindre l’équilibre est hors de la mousse. Ceci montre qu’il n’y a pas de découplage des effets, on ignore à quel point le rôle des particules est couplé à celui du drainage et/ou celui du mûrissement.

Enfin, la masse volumique des particules est présentée comme étant deux fois supé- rieure à celle du liquide, ce qui conduit inévitablement à de la sédimentation, cet effet supplémentaire vient compliquer d’avantage l’étude.

Les particules à l’échelle des films

Si on veut qu’une mousse soit stable dans le temps, il est indispensable de stabiliser ses films, pour éviter leur rupture qui conduit à de la coalescence puis à l’effondrement total de l’échantillon.

La solution la plus évidente pour stabiliser les films consiste à utiliser des tensioactifs, des molécules amphiphiles qui diminuent la tension superficielle de l’interface liquide/gaz. Il en existe de plusieurs types : anionique, cationique et non ionique.

Cependant, il existe d’autres méthodes qui conduisent à la stabilité des films, on peut par exemple citer l’utilisation de protéines [47] ou d’émulsions [48] mais il est également possible d’avoir recours à des particules solides. Elles peuvent s’avérer très efficaces pour la production de mousses et d’émulsions [49], d’abord en se mettant dans les films puis en s’adsorbant aux interfaces, les recouvrant d’une couche protectrice pouvant aller jusqu’à former un réseau 3D dans la phase interstitielle.

Le pouvoir stabilisant de ces particules dépend de plusieurs facteurs : de leur taille, leur forme, leur concentration et leur hydrophobicité. Par exemple, des particules hydrophiles seront efficaces en monocouche dans les films alors que des particules hydrophobes le seront en bicouche [49] (voir figure 1.19).

Figure 1.19 – I : mécanismes possible de stabilisation des films. (a) Monocouche de particules (b) Bicouche de particules (c) Particules qui percolent (gel) extrait de [49]. II : film liquide stabilisé par des tensionactifs, têtes hydrophiles, queues hydrophobes.

Capture de particules dans un bord de Plateau

Louvet et al. se sont intéressés à la capture d’une particule dans une mousse en fonc- tion de la tailles des bulles Db, de la taille de la particule dp et de la fraction volumique

gazeuse Φ [10].

Les auteurs commencent par calibrer des mousses en condition de drainage forcé, de façon à obtenir une correspondance entre le débit d’imbibition et la fraction gazeuse Φ. Dans un second temps, ces mousses calibrées sont utilisées pour piéger des particules, l’augmentation régulière du débit d’imbibition est ensuite pratiquée jusqu’à libération des particules. Du débit est déduit la fraction gazeuse, cette expérience consiste en une me- sure indirecte de la taille minimale des constrictions de la mousse en fonction de Φ. En la réalisant pour plusieurs tailles de bulles, la dépendance en Db est connue.

En notant la taille du plus petit passage dans la mousse dpassage, il est trouvé par

ajustement pour 0 < Φ < 0, 26 (tracé sur la figure 1.20) : dpassage = Db

0, 27√1 − Φ + 3, 17 (1 − Φ)2,75

Figure 1.20 – Taille du plus petit passage dans la mousse en fonction de 1 − Φ pour Db = 1

Ce critère apparaît comme géométrique pour des débits d’injection pas trop impor- tants et pour des bulles suffisamment petites. En effet, lorsque l’on augmente le débit de liquide injecté, les forces visqueuses dirigées vers la particule piégée sont de plus en plus fortes, elles ont tendance à l’entrainer avec l’écoulement. Dans le même temps, Les forces capillaires, qui retiennent la particule, sont compensées jusqu’à ce que le pore "mou" dans lequel la particule est piégée se déforme suffisamment pour la libérer.

Dans ce cas, les conditions de capture se voient modifiées.

Le nombre capillaire compare les forces visqueuses aux forces capillaires : Ca = V η/γ

avec V la vitesse du fluide, η la viscosité, et γ la tension de surface. Aux petites valeurs de Ca, la capture peut être considérée comme géométrique uniquement.

Ce travail sur la capture permet de définir le paramètre λ : λ = dp

dpassage

(1.54) Il rend compte de l’encombrement du réseau de la mousse par les particules (λ < 1, particules libres. λ > 1, particules piégées.), nous reviendrons largement dessus au cours de cette thèse.