Complex fluids dripped into a liquid bath : impact, relaxation and gelation dynamics
Gouttes de fluides complexes tombant dans un bain liquide : impact, relaxation et gélification
Résumé
Dripping alginate solutions into a bath of calcium ions is a robust process to obtain gelled beads which can be used in various applications. This process relies on the ability of calcium ions to bridge the alginate chains of the droplets to form a rigid gel. The Reynolds and Weber numbers, defining the competition between inertia, viscous dissipation and surface tension forces are known to influence the final shape of the beads. Indeed inertia tends to drive the spreading of droplets upon impact with the bath while high droplet viscosity and surface tension tend to limit their extension upon impact.However, very little is known about the dynamics of the droplets shape during impact with a liquid bath. In this thesis, using a high speed camera, we study the shape evolution of alginate-ceramic suspension droplets as they impact and penetrate a bath of calcium ions. We observe that the drops first extend upon impact with the liquid surface, and then relax to a more spherical shape inside the bath, while gelling at the same time.As expected, the drops maximum elongation increases with increasing impact velocity and decreasing droplet viscosity. The effect of the calcium concentration in the bath is less intuitive. As it increases, the maximum extension of the droplets tends to decrease and the droplets tend to relax faster to a spherical shape. This relaxation is related to a syneresis phenomenon which instantaneously occurs as the droplet hits the bath: the gelled membrane in formation tends to shrink by expelling water. This phenomenon puts the outer membrane under tensile stress and therefore is the driving force of the capsule relaxation. We evidence the main obstacles to relaxation, resulting in capsules frozen in an ellipsoidal shape before reaching a perfect sphere and before being fully gelled.
Faire tomber des gouttes de solution d'alginate dans un bain d'ions calcium est une technique robuste pour produire des billes gélifiées, dont les applications fleurissent dans de nombreux domaines. Ce procédé de dripping repose sur la réticulation électrostatique des chaînes d'alginate par les ions calcium, donnant naissance à un gel physique rigide. Les nombres de Reynolds et de Weber, caractérisant la compétition entre les forces d'inertie, de dissipation visqueuse et de tension de surface, sont connus pour influencer la forme finale des billes. En effet, l'énergie cinétique tend à favoriser l'étalement des gouttes à l'impact, alors que la viscosité et la tension de surface de la goutte tendent à limiter cette déformation.Cependant, il y a très peu d'étude sur la dynamique de déformation de gouttes impactant un bain liquide. Dans ces travaux, nous utilisons une caméra rapide afin d'étudier l'évolution de la forme de gouttes de suspensions alginate-céramique impactant un bain d'ions calcium. Nous observons tout d'abord que la goutte s'étale à l'impact, puis relaxe vers une forme plus sphérique au fur et à mesure de sa gélification dans le bain.Comme attendu, l'élongation maximale des gouttes est d'autant plus grande que la vitesse d'impact est importante et que la viscosité de la goutte est faible. L'effet de la concentration en calcium dans le bain est moins intuitive. Lorsque celle-ci augmente, la déformation maximale de la goutte à l'impact décroît et sa relaxation vers une forme sphérique est plus rapide. Nous montrons la gélification de la goutte s'accompagne d'un phénomène de synérèse : la surface extérieure de la goutte commence à gélifier et se contracte en expulsant de l'eau. Par conséquent, cette membrane de gel est sous tension élastique, ce qui entraîne la relaxation de la capsule. Nous identifions également les freins de cette relaxation, expliquant pourquoi les billes s'arrêtent de relaxer avant d'atteindre la sphère parfaite et avant d'être totalement gélifiée.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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