Fragmentation de gouttes visqueuses avec interfaces complexes : modèles pour l’émulsification – FRAGOVISIC

Ce projet s'intéresse à la fragmentation de gouttes dans les procédés d’émulsification, dans le cas où leur viscosité est élevée. Cette condition complique la création de fines émulsions, avec une faible polydispersité. Or il n’existe pas de modèle générique permettant de prédire la fragmentation des gouttes très visqueuses et donc les distributions de taille en sortie des appareils d’émulsification, ce qui rend le changement d’échelle complexe. D’un point de vue fondamental, deux verrous majeurs sont à lever afin d’aboutir à des modèles pertinents. Le premier concerne l’effet des forces visqueuses internes aux gouttes, qui domine celui des forces capillaires dans leur processus de déformation : les gouttes visqueuses ne relaxent pas après avoir été déformées, mais s’étirent sous la forme de longs filaments dont les instabilités capillaires causeront la fragmentation lorsqu'ils seront suffisamment fins, ce qui explique que la rupture de ces gouttes prenne un certain temps. Ainsi, la fragmentation des gouttes visqueuses sort du cadre des théories classiques pour la rupture. Le second verrou est associé à la présence d’émulsifiants, naturellement présents, ou ajoutés pour les applications afin d’assurer la stabilité des émulsions : ces tensio-actifs s’adsorbent aux interfaces et leur confèrent des propriétés visco-élastiques, ce qui va affecter les instabilités finales responsables de la fragmentation, mais leurs effets sur cette dernière ne sont pas suffisamment caractérisés.

L’objectif de ce projet est de mener à bien le développement de modèles physiques pour la fragmentation des gouttes visqueuses à interfaces complexes, en levant ces deux verrous. Pour cela, nous nous appuierons sur la complémentarité entre des études expérimentales et numériques. D’un point de vue méthodologique, ce projet sera ainsi l’occasion d’intégrer des développements numériques avancés permettant de décrire la dynamique d’interfaces à rhéologie complexe dans un code de calcul de mécanique des fluides numérique, afin de l’utiliser pour modéliser la dynamique de gouttes dans les émulsions. Ce projet se donne également pour objectif d’appliquer les connaissances qui seront acquises sur la fragmentation afin de concevoir des dispositifs d’émulsification en microfluidique, spécifiques au cas des gouttes visqueuses, et à faible coût énergétique.

Trois types de systèmes physico-chimiques seront considérés, impliquant une phase dispersée visqueuse, avec des films interfaciaux de nature différente : monocouche, multicouche, membrane. Les différentes tâches du projet permettront d’étudier les phénomènes à l’échelle d’une goutte, puis à celle d'une émulsion. Premièrement, par le biais d’expériences de déformation des gouttes en millifluidique, couplées à des simulations numériques, il s’agira d’identifier les propriétés rhéologiques effectives des interfaces complexes de ces trois systèmes. Ensuite, la rupture d'une goutte visqueuse sera caractérisée, sur la base d’expériences dans des écoulements laminaires judicieusement choisis puis de simulations : l’étirement de la goutte sera analysé, ainsi que les tailles de fragments formés après le développement des instabilités conduisant à la rupture. Un modèle de fragmentation sera alors élaboré. Enfin, celui-ci sera utilisé pour développer des dispositifs d’émulsification sous microfluidique, dédiés au cas des gouttes très visqueuses, en formant in-situ des émulsions dont la taille sera ensuite raffinée progressivement. Des règles de conception seront établies, afin d'optimiser ces procédés en fonction des propriétés du système (viscosité, film interfacial).

Ainsi, ce projet, à l’interface entre mécanique des fluides, physico-chimie des interfaces et génie des procédés, réunit ces compétences complémentaires pour faire progresser les connaissances de ce problème multi-échelles de dynamique des gouttes visqueuses lors de l’émulsification, et permettre une meilleure ingénierie des procédés associés.