L’existence d’une tension interfaciale γint entre les deux phases non miscibles implique que la pression à l’intérieur des gouttes soit supérieure à la pression extérieure. Cette surpression est déduite de la tension superficielle et du rayon de la goutte selon la loi de Laplace:
R
P 2γ
=
∆
(2-14)Plus le rayon est faible, plus la pression à l’intérieur de la goutte est élevée.
Le murissement d’Ostwald
Le murissement d’Ostwald est la conséquence de la différence de pression entre l’intérieur et l’extérieur des gouttes. La pression dans les grosses gouttes est plus faible que celle dans une petite goutte, la matière dans les petites gouttes se diffuse donc à travers la phase continue vers les grosses gouttes [8] [7]. On observe une diminution de la taille des petites gouttes jusqu’à leur disparition complète et par la même occasion l’augmentation de la taille des grosses gouttes.
Figure 21 : Murissement d’Ostwald
Grâce au murissement d’Ostwald, la granulométrie de l’émulsion évolue avec le temps et le diamètre moyen des gouttes croît [13]. Le phénomène s’auto-ralentit et devient très lent au-delà d’un diamètre moyen de goutte supérieur à 1 3m.
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La floculation ." /" 1" correspond au regroupement des gouttelettes indépendantes pour former des grappes. Un rapprochement des gouttes est favorisé par l’agitation thermique et si une interaction attractive suffisante existe entre les gouttes ainsi mises en contact, les gouttes restent associées sous forme d’agrégats.
Du point de vue énergétique, pour deux gouttelettes identiques de rayon R, séparées entre elles d’une distance d, le potentiel du système est donné par la figure suivante:
Figure 22 : Aspect énergétique de la floculation
Ceci montre que le système présente un puits de potentiel Umin pour lequel la distance d entraine une énergie minimale. Elle correspond à la configuration optimale du système. Trois cas peuvent alors se présenter :
• Si le mouvement brownien est assez énergique pour sortir le système du puits de potentiel, c'est-à-dire si Umin << kT, la distance d augmente et il n’y aura pas d’agrégation.
• Si le mouvement brownien est juste suffisant pour écarter la position des gouttes de l’état d’équilibre, c'est-à-dire si Umin~ kT, il y a un équilibre permanent entre les gouttes libres et les gouttes restant à l’état agrégé.
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• Si le mouvement brownien est trop faible par rapport à Umin, c'est-à-dire si Umin>>kT, les gouttes s’agrègent dans tout le volume et ne peuvent être re-dispersées par l’énergie thermique seule.
En outre, du point de vue cinétique, le rapprochement entre les deux gouttes peut être ralenti par une barrière de potentiel Eb (due aux répulsions électrostatiques, par exemple) empêchant les deux gouttes de se rapprocher à la distance d’équilibre correspondant à Umin. Selon la valeur de cette barrière énergétique on observe trois cas:
• Si Eb >> kT, le mouvement brownien n’est pas suffisant pour rapprocher les deux gouttes au-delà de la barrière énergétique. Il n’y aura donc pas d’agrégation.
• Si Eb ~ kT, l’agrégation est lente.
• Si Eb << kT, la barrière énergétique est franchie par le mouvement brownien et l’agrégation est rapide.
En présence de tensioactifs ou d’autres solutés dans le milieu, la valeur de Eb peut être modifiée. Ainsi, à faible concentration en tensioactif, les gouttes restent à l’état libre (Eb élevé) alors qu’elles auront tendance à former rapidement des agrégats pour une concentration élevée en tensioactif.
Figure 23 : Aspect énergétique de la floculation en présence de tensioactif
C2232C2! AB85FABABFB 6A7F67B
Le crémage et la sédimentation sont les résultats de la différence de densité entre la phase huileuse et la phase aqueuse. Sous l’effet de la pesanteur, si les gouttes sont moins denses que la phase continue, elles ont tendance à migrer vers le haut et s’accumuler dans la partie supérieure. On parle alors de crémage. Dans le cas contraire, si les gouttes sont plus denses que la phase continue, les gouttes descendront vers le bas pour former des culots de sédimentation. C’est le phénomène de sédimentation.
La sédimentation et le crémage entrainent une répartition inégale des gouttes suivant la hauteur et se traduisent par un éclaircissement respectivement de la partie inférieure ou de la partie supérieure. Le crémage (resp. la sédimentation) aboutit à l’apparition d’une couche d’émulsion supérieure (resp. inférieure) riche en gouttelettes et d’une couche d’émulsion inférieure (resp. supérieure) pauvre en gouttelettes.
Analytiquement, la vitesse de migration des gouttes est régie par la loi de Stokes [7] :
c
r
g
µ
ρ
ν
29
2∆ ⋅ ⋅
=
(2-15)45 représente la différence de densité des deux phases g est l’accélération de la pesanteur
3c est la viscosité de la phase continue r est le rayon de la goutte
Ce qui montre que la vitesse de sédimentation ou de crémage est d’autant plus élevée que la différence de densité est élevée et la taille des gouttes est forte.
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2.3.5.3 L’inversion de phase
Par définition, l’inversion de phase correspond au passage d’une émulsion E/H vers une émulsion H/E ou le contraire. Comme le montre le diagramme de formulation de la Figure 13, une inversion de phase peut se produire lorsque les paramètres de formulation d’une émulsion sont modifiés (changement de la température ou modification de la composition).
La compréhension du phénomène d’inversion de phase est importante pour nous vu que, non seulement l’émulsion de blow-by peut subir un refroidissement ou un réchauffement en fonction des conditions de fonctionnement du moteur, mais aussi, la composition en eau ou en huile d’une émulsion de blow-by peut évoluer dans le temps.
C223221 %7EA567B AB9 FAB AB0BFBA95F5ABB
Pour une composition donnée, une émulsion E/H peut se transformer en émulsion H/E au-dessous d’une certaine température appelée Température d’inversion de phase (PIT). De même une émulsion H/E peut devenir une émulsion E/H en augmentant la température au-delà de PIT [10][12]. Sur la carte HLD, la PIT correspond à une HLD=0. La PIT est indépendante de la concentration en tensioactif, mais varie avec la nature de celle-ci. Rappelons toutefois qu’à partir d’une certaine concentration en tensioactif, tout le domaine devient monophasique quelle que soit la température.
Figure 24 : Inversion de phase avec la température
L’inversion de phase avec la température, est un phénomène réversible. Comme il a été montré dans le paragraphe précédent, c’est une conséquence directe du changement de la solubilité relative des tensioactifs dans chacun des milieux en fonction de la température.
C22322C %7EA567B AB9 FAB ABFB8 F7AA7B AB89667B
Comme prévu par le diagramme de formulation, une variation de la teneur en eau peut aussi entrainer une inversion de phase. Toutefois, la ligne d’inversion ne coïncide généralement pas avec la ligne d’inversion standard du diagramme de formulation. Elle présente des retards ou hystérèses selon le sens de déplacement du paramètre. On parle alors d’une inversion dynamique.
On distingue deux processus d’inversion de phase. Le premier provient de l’ajout de phase interne à une émulsion normale (H/E ou E/H de la zone A) conduisant d’abord à la formation d’une émulsion de plus en plus concentrée (les gouttes deviennent polyédriques) jusqu’à une limite où les phases s’inversent. Le deuxième processus correspond à l’ajout de phase interne à une émulsion de type anormale (zone B- ou C+ du diagramme de la Figure 13) et qui conduit à un changement de phase dès que le contact entre les gouttes est possible.
En outre, selon la vitesse d’ajout de la phase interne, on peut s’attendre à une inversion de phase directe ou une inversion de phase passant par une émulsion multiple. Pour une addition lente, l’inversion de phase passe par une émulsion multiple résultant de l’inclusion sous forme de gouttelettes de la phase continue dans la phase ajoutée. [11]