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Theses Year : 2017

Dynamics of water films squeezed between oil and solid : effect of salt and surfactants

Dynamique de films d’eau pressés entre huile et solide : effet du sel et de tensioactifs

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Abstract

The interactions between liquid/liquid and solid/liquid interfaces are involved in many industrial processes and fields. However, they have been poorly studied in the past. We focus here on the spontaneous drainage of aqueous solutions of salt or surfactants squeezed between an oil drop and a glass surface. Experimentally, an oil drop immersed in water is driven towards a solid surface; the resulting squeezed water film drains and adopts a dimple shape due to the pressure gradient, and further relaxes to its equilibrium uniform thickness. The thickness profile of the film is measured in space and time by reflection interference microscopy. We have studied both the drainage dynamics and the final equilibrium state reached by the system in presence of salt and/or surfactants. First, we quantify and provide a full description of the drainage dynamics. Three regimes are identified in an aqueous electrolyte: a capillary dominated regime, a mixed capillary and disjoining pressure regime, and a disjoining pressure dominated regime. These regimes are modeled within the lubrication approximation, and the role of the disjoining pressure is precisely investigated in the limit of thicknesses smaller than the range of electrostatic interactions. We derive simple analytical laws describing the drainage dynamics, thus providing tools to uncouple the effect of the film geometry from the effects of the disjoining or capillary pressures. We show that the addition of surfactants does not qualitatively modify the drainage regimes, except at concentrations larger than the critical micellar concentration and very small film thicknesses in which the oil can partially wet the solid, thus slowing down the drainage of the remaining trapped water. In addition, we provide measurements of the boundary condition at the oil/water interface. We confirm the role of Marangoni flows, suggested in the literature and resulting from concentration gradients of species (impurities or surfactants) adsorbed at the interface. We thus show that a solid-like, no-slip boundary condition is generally met at the oil/water interface. However, for low concentrations in adsorbed species, we evidence for the first time a reverse flow at the interface resulting from the approach of the drop and the slow adsorption kinetics of surfactants. In a second part, we focus on the equilibrium state reached by the water film, i.e. either wetting of the solid surface by the oil drop or formation of a stable water film between the drop and the solid. In the latter case, equilibrium results from the balance of the capillary pressure in the drop and the disjoining pressure. By varying the droplet radius, we show it is possible to measure the variations of the disjoining pressure with the film thickness, and that they can be fully described by taking into account the interactions between the charged interfaces. For large capillary pressures or short Debye lengths, the oil wets the solid surface and we show the wetting dynamics is strongly modified depending on surfactant concentration below the cmc: the velocity of the oil/water/solid triple line varied over four decades. We ascribe the observed behaviors to surfactant adsorption at the oil/water and solid/water interfaces, and in particular to the possible formation of surfactant mono or bi-layers on the solid.
Les interactions entre les interfaces liquide/liquide et liquide/solide interviennent dans de nombreux domaines et procédés industriels. Cependant, ces interactions ont été très peu étudiées par le passé. Nous nous concentrons ici sur le drainage spontané de solutions aqueuses de sel ou de tensio-actifs pressées entre une goutte d'huile et une surface en verre. Expérimentalement, une goutte d'huile est immergée dans de l'eau et approchée d'une surface solide ; le film d'eau pressé résultant draine et adopte une forme “dimple” due au gradient de pression. Par la suite, le film d'eau relaxe vers son épaisseur uniforme d'équilibre.Les profils d'épaisseur spatio-temporels du film sont mesurés par microscopie d'interférences en réflexion. Nous avons étudié la dynamique de drainage ainsi que l'état d'équilibre du système en présence de sel et/ou de tensio-actifs. Tout d'abord, nous réalisons une description quantitative de l'ensemble de la dynamique de drainage. Trois régimes sont identifiés pour une solution aqueuse d'électrolyte : un régime dominé par la pression capillaire, un second mixte décrit par les pressions capillaire et de disjonction, et un troisième dominé par la pression de disjonction. Ces régimes sont modélisés dans le cadre de l'approximation de lubrification. En particulier, le rôle de la pression de disjonction est étudié avec précision dans la limite de la portée des interactions électrostatiques. Nous déduisons des lois analytiques simples permettant de décrire la dynamique de drainage, découplant ainsi les effets des pressions des effets géométriques. Par ailleurs, nous montrons que l'ajout de tensio-actifs ne modifie pas qualitativement les régimes de drainage, à l'exception de concentrations supérieures à la concentration micellaire critique. En effet, à de très faibles épaisseurs, l'huile mouille alors partiellement le solide, ralentissant ainsi le drainage de l'eau piégée au centre du dimple.Nous mesurons la condition aux limites à l'interface eau/huile. Nous confirmons ainsi l'effet Marangoni, mentionné dans la littérature, résultant du gradient de concentration d'espèces (impuretés ou tensio-actifs) adsorbés à l'interface. Nous montrons que l'interface eau/huile est en général de type solide et donc que la vitesse tangentielle est nulle à l'interface. Cependant, pour des concentrations faibles en espèces adsorbées, nous mettons en évidence pour la première fois un contre-courant à l'interface eau/huile résultant de l'approche de la goutte et d'une cinétique lente d'adsorption des tensio-actifs.Par la suite, nous nous concentrons sur l'état d'équilibre du système, soit par mouillage de l'huile sur le solide, soit par formation d'un film d'eau homogène stable. Dans le cas d'un film d'eau stable, l'équilibre résulte d'une égalité entre la surpression dans la goutte et la pression de disjonction du film. En variant le rayon de la goutte, nous montrons qu'il est possible de mesurer l'évolution de la pression de disjonction avec l'épaisseur du film. Cette évolution peut être entièrement décrite par les interactions entre les interfacées chargées. Pour de grandes surpressions de goutte, ou de petites longueurs de Debye, l'huile mouille le solide. Nous montrons que la dynamique de mouillage dépend fortement de la concentration en tensio-actif lorsqu'elle est inférieure à la concentration micellaire critique. La vitesse de la triple ligne de contact peut varier de quatre décades. Nous attribuons ces comportements à l'adsorption du tensio-actif aux interfaces eau/huile et eau/verre, et en particulier à la possible formation de monocouches ou bicouches sur le solide.
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Cite

Laure Bluteau. Dynamique de films d’eau pressés entre huile et solide : effet du sel et de tensioactifs. Matière Molle [cond-mat.soft]. Université Paris sciences et lettres, 2017. Français. ⟨NNT : 2017PSLET006⟩. ⟨tel-02286175⟩
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