Rupture d'interfaces en présence d'agents de surface

Abstract

Droplet detachment is ubiquitous in everyday life. It results from the rupture of an interface separating two fluids. This rupture has been widely studied. It is now well established that it relies on a competition between capillary, inertial and viscous phenomena. In this manuscript, we report on the influence on the breakup dynamics of the presence of surface agents at the interface. When SDS is used as a surface agent, thinning can proceed in two ways. In the first mode, the dynamics of thinning are characterized by two linear-in-time regimes. The second mode is made of three linear-in-time regimes. In both cases, thinning starts with a first regime, followed by a steeper second regime. When a third regime exists, its slope is softer. Slope variation bears witness to a dynamical behaviour of the surfactants at the interface. The value for the interfacial tension $\gamma$ calculated from the slope of the first linear regime is in agreement with the equilibrium interfacial tension of the system, $\gamma_{eq}$. The higher thinning speed during the second regime is linked to a partial depletion in surfactant of the maximal thinning zone. The slowdown in the tihrd regime is related to a displacement of the thinning zone in a region of higher surfactant concentration, where $\gamma$ is lower. The thinning dynamics is very different when polymers are added to the surfactant solution. If $C_{SDS}$ is higher than 0.15 times the critical micellar concentration (CMC), a behaviour similar to the pure-surfactant case is observed. Below 0.15 CMC, an exponential slowdown is observed in the last instants, as well as a "`beads-on-a-string"' phenomenon. These observations are analogous to what is seen when a solution of polymers is led to breakup. In our case, polymers are not in the bulk; they are at the interface of the two fluids! Analysis of the profiles of the neck in both cases showed that profiles are self-similar. Qualitatively, they share features with profiles observed in the case of breakup of interfaces between simple fluids. Quantitatively, slopes and angles are different.

Le détachement d'une goutte est un phénomène que nous observons quotidiennement. Il résulte de la rupture de l'interface entre le fluide dispersé en goutte et le fluide environnant. Cette rupture a fait l'objet de nombreuses études. Il est bien établi que sa dynamique est régie par une compétition entre la capillarité, l'inertie, et la viscosité du fluide. Ce manuscrit décrit l'influence sur la dynamique de rupture d'une modification des propriétés de l'interface entre deux fluides à l'aide d'agents de surface. Lorsque l'agent de surface est un surfactant (SDS), la dynamique d'amincissement peut se faire selon deux modes. Deux régimes linéaires en temps constituent le premier mode. Le second mode comporte trois régimes linéaires. Dans les deux cas, l'aminicissement commence par un premier régime, suivi d'un deuxième régime de pente plus forte. Lorsque le troisième régime existe, sa pente est inférieure à celle du second régime. La variation des pentes des régimes linéaires témoigne du comportement dynamique du surfactant à l'interface. La valeur de la tension interfaciale $\gamma$ extraite du premier régime linéaire correspond à la valeur à l'équilibre de la tension interfaciale du système, $\gamma_{eq}$. La vitesse d'amincissement plus élevée au cours du second régime est reliée à une dépletion partielle en surfactant de la zone d'amincissement maximal. Le ralentissement constaté pendant le troisième régime est lié au déplacement de cette zone vers une région plus riche en surfactant, où la tension $\gamma$ est plus faible. La dynamique d'amincissement du cou est très différente lorsque des polymères de poids moléculaire intermédiaire ($\sim$ 100 kDa) sont présents simultanément avec du SDS dans la phase continue. Lorsque $C_{SDS}$ est supérieure à 0,15 fois la concentration micellaire critique (CMC), le comportement est identique à celui observé en présence de surfactant seul. En dessous de 0,15 CMC, l'amincissement ralentit exponentiellement à l'approche de la rupture, et un phénomène de beads-on-a-string apparaît. Ces constatations sont analogues à celles faites lorsqu'une solution de polymères est menée à la rupture. Dans notre cas, les polymères sont uniquement à la surface du jet et non dans son volume! Une analyse des profils du cou au cours du temps démontre l'existence d'une auto-similarité à l'approche de la rupture. Bien que les systèmes étudiés soient plus complexes, ils présentent des caractéristiques qualitativement analogues à celles observées dans des systèmes de fluides simples. Toutefois, il existe une grande différence quantitative.