Etude de la déformation de gouttes à interface et rhéologie complexes

Majdi Boufarguine

Résumé

This thesis is a contribution to the study of Pickering emulsions that have seen a renewedinterest in recent years. Although the effect Pickering has been described for over a century, moresystematic studies to understand the activity of solid particles at liquid/liquid interfaces is onlypartially undertaken, especially during flow. Several issues are still relevant and, in particular, thelocation of particles at the interface and the involved adsorption mechanism.The approach proposed in this thesis is to consider an elementary event of an emulsion: asingle droplet in a matrix undergoing a strain jump in a shear flow. This experiment was performed ina counter-rotating shear device developed at PCI. Generically, the aim is to understand the relationshipbetween the behavior of the droplet and the bulk and interfacial rheology induced by the dynamics ofsolid particles at a liquid/liquid interfaces. Several parameters were studied starting with the chemicalaffinity of solid particles with the liquid phases, the rheology of the liquid phases, the concentrationand the size of solid particles, and finally, special attention was paid to the effect of macroscopicdeformation and the age of the interface.More specifically, the demonstration of synergy between the macroscopic strain and the age ofthe interface, the dynamic adsorption of particles at the liquid/liquid interface and the structure of theinterface, allowed to propose a methodology for the modulation of the "memory effect induced by thedeformation" during the relaxation of the droplet by changing the particle surface using the adsorptionof a selected surfactants. Thus, it was possible to freeze the liquid drops in a controlled anisotropicshapes. This phenomenon was correlated to a liquid-solid transition of the interface demonstrated byrheological measurements of the interfacial moduli. These were, moreover, quantitatively related tothe anisotropy of frozen droplets.

Ce travail de thèse est une contribution à l’étude des émulsions de Pickering qui ont vu unregain d’intérêt ces dernières années. Bien que l’effet Pickering ait été décrit depuis plus d’un siècle,des études plus systématiques pour comprendre l’activité des particules solides aux interfacesliquide/liquide n’est que partiellement entrepris, surtout en cours de déformation. Plusieurs questionsrestent d’actualité et, en premier, la localisation même des particules à l’interface et le mécanismed’adsorption associé.L’approche proposée dans ce travail de thèse s’inscrit dans cette optique avec en particulier laconsidération d’un événement élémentaire d’une émulsion : une goutte isolée dans une matrice etexaminée suite à un saut de déformation en cisaillement dans un dispositif de cisaillement contrarotatifdéveloppé à PCI. De manière générique, le but est de comprendre la relation entre le comportement dela goutte et la rhéologie complexe (en volume ou en surface) apportée par la dynamique de particulessolides aux interfaces liquide/liquide mobiles. Plusieurs paramètres ont été étudiés en commençant parl’affinité chimique des particules solides avec les phases liquides, la rhéologie des phases liquides, laconcentration et la taille des particules solides ; et pour finir, une attention particulière a été portée àl'effet de la déformation macroscopique et l’âge de la goutte.Plus particulièrement, la mise en évidence de la synergie entre la déformation macroscopiqueet l’âge de la goutte, sur la dynamique d’adsorption des particules à l’interface liquide/liquide et lastructuration de l’interface composée, a permis de proposer une méthodologie pour la modulation de« l’effet mémoire induite par la déformation » lors de la relaxation de la goutte en modifiant lasurface des particules par adsorption de tensioactifs choisis. Ainsi, il a été possible de figer les gouttesliquides dans des formes anisotropes contrôlées. Ce phénomène a été corrélé à une transition liquidesolidede l’interface composée mise en évidence par des mesures des modules rhéologiquesinterfaciaux. Ces derniers ont été, par ailleurs, reliés quantitativement à l’anisotropie des gouttesfigées.