Chapitre IV. Méandres mouvants en mouillage total
IV.4 Une solution d’un seul surfactant : le Triton X-100
Nous avons donc commencé notre étude par une solution de surfactant pur qui pré- sente la même rigidité de surface que le Fairy : le Triton X-100.
IV.4.1 Description du surfactant
Le Triton X-100 est un surfactant octylphénol éther (EO10), non-ionique, et de for-
mule chimique semi-développée CH3C(CH3)2CH2C(CH3)2C6H4EnOH, où n est compris entre 9
et 10 (cf. Figure IV-7). Sa partie hydrophile est la chaîne polyéther et sa partie hydrophobe est la chaîne carbonée. Triton X-100 est une marque déposée, précédemment détenue par ROHM
& HASS CO., mais dorénavant détenue par UNION CARBIDE. La série « X » des détergents Tri-
ton se compose d’octylphénols polymérisés par de l’oxyde d’éthylène (1,2-époxyéthane). Le nombre « -100 » se réfère indirectement au nombre d’oxydes d’éthylène présents dans la struc- ture. Le X-100 a une moyenne de 9,5 oxydes d’éthylène par molécule.
Figure IV-7 : Formule semi-développée du surfactant Triton X-100.
Les principales caractéristiques du Triton X-100 sont regroupées dans le Tableau IV-3. Ce surfactant est souvent utilisé dans des applications biochimiques pour solubiliser des protéi- nes. Il peut également être employé comme agent de mouillage, pour le nettoyage de métaux ou comme émulsifiant. Étant donné qu’il est totalement soluble dans l’eau, la préparation des solutions de Triton à la concentration voulue nécessite juste un mélange avec agitateur magné- tique, et éventuellement un léger chauffage. Tout comme le Fairy, ce surfactant est connu pour former des interfaces rigides et devrait donc générer un écoulement de type Poiseuille dans les bords de Plateau.
PROPRIÉTÉ RÉSULTAT
Aspect Liquide incolore
Densité à 25°C 1,065
Masse molaire 625 g/mol
Concentration 1,7 mol/L
Viscosité à 25°C 240 cP
Stabilité Très stable. Fermé, se conserve pendant plusieurs années. Solubilité dans l’eau Soluble en toutes proportions
CMC 0,25 mmol/L, soit 0,016% en masse
Type d’interface créée Rigide
Tableau IV-3 : Caractéristiques du surfactant Triton X-100. Données extraites des fiches de données de sécurité publiées par SIGMA, et de SHEN et al (2002).
IV.4.2 Écoulements observés selon le débit Q imposé
Nous avons espacé les plaques de la cellule de 0,95 mm, correspondant à un écartement par une lame de microscope. La solution utilisée est prise à la concentration micellaire critique (η=1 cP et γ=30,5 mN/m). Les tentatives pour augmenter l’écartement interplaque et passer à 1,9 mm se sont avérées infructueuses car alors le liquide mouille difficilement les deux parois de la cellule de Hele-Shaw.
Les différents régimes obtenus avec une solution de Triton X-100 à la concentration micellaire critique sont illustrés sur la Figure IV-8. Pour les débits inférieurs à 5 mL/min, nous
trouvons un régime rectiligne. Entre 5 et 16 mL/min, il se forme des méandres. Au-delà de 16 mL/min, l’écoulement est désordonné et produit beaucoup de mousse qui se stocke dans le bas de la cellule. Nous n’avons pas observé d’hystérésis à la montée ni la descente en débit, contrairement aux méandres en mouillage partiel qui étaient retenus par l’hystérésis de mouil- lage. Comme nous sommes ici en mouillage total, il n’y a aucun accrochage du liquide sur le substrat, et l’écoulement prend une forme directement liée au débit imposé, sans se soucier de son histoire.
Figure IV-8 : Régimes observés pour une solution de Triton X-100 à la concentra- tion micellaire critique. L’écoulement se fait du haut vers le bas. Les barres blanches dans le coin supérieur droit représentent 10 cm. (a) Régime droit, Q=4 mL/min. (b) Méandres dont la partie supérieure remonte alors que la partie inférieure des- cend, Q=9 mL/min. (c) Méandres descendants, Q=12 mL/min. (d) Régime chaotique avec création importante de mousse, Q=18 mL/min.
De 5 à 10 mL/min, les méandres de la partie supérieure de la cellule remontent, alors que ceux de la partie inférieure descendent. Il apparaît alors un virage de grande amplitude tout en haut des méandres et le ruisselet finit par se rompre par une déstabilisation variqueuse (voir Figure IV-9). Remarquons que des déstabilisations variqueuses avaient aussi été observées avec des solutions de Fairy dans le cas de méandres de grande amplitude [DRENCKHAN et al 2004].
Pour des débits supérieurs à 10 mL/min (jusqu’à 16 mL/min), les méandres de Triton X-100 ne sont que descendants.
En régime de méandres, le nombre de Reynolds typique, basé sur la largeur d’un bord de Plateau, est de l’ordre de :
Re = w U ν = w ν Q S :200 ( IV.1 )
en prenant un débit Q de 10 mL/min, une largeur de filet w de 1 mm, la viscosité cinématique de la solution ν=1 mm2/s et la section S de l’écoulement de l’ordre de 1mm2. Cela correspond à
une vitesse U=Q/S d’écoulement dans le ruisselet de l’ordre de la dizaine de centimètres par seconde.
U : 10cm / s
Figure IV-9 : Agrandissements de l’instabilité variqueuse avec une solution de Tri- ton X-100 lors du régime remontant de méandres, à deux instants différents. (a) Le méandre n’a plus une épaisseur constante. (b) Le filet finit par se rompre en formant une goutte.
Par rapport au Fairy, le Triton présentait l’avantage d’être un surfactant pur. Les résul- tats sont assez proches de ceux obtenus pour le Fairy : déstabilisation du filet droit en méandres au-delà d’un débit seuil, existence de méandres remontants et descendants, régime chaotique. Cependant, les méandres de Triton X-100 sont moins réguliers que ceux obtenus avec le « Fairy liquid ». De plus, ils ne sont pas très stables dans le temps et finissent par perdre de la régularité. Les ruisselets générés par les solutions de Triton ne sont malheureusement pas assez réguliers, dans le temps et dans l’espace, pour nous permettre une étude vraiment quantitative avec ce surfactant pur. On peut penser que le Fairy bénéficie probablement une stabilisation particu- lière due à un effet combiné de ses différentes composantes (mélange de plusieurs surfactants, solvant organique, etc...) qui rend ses méandres si réguliers