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Pourquoi certaines mousses ou émulsions sont-elles plus stables que d’autres ?


Pourquoi certaines mousses ou émulsions sont-elles plus stables que d'autres ?

Les mousses sont des dispersions de bulles d’air dans l’eau et les émulsions des dispersions de gouttes d’huile dans l’eau (ou d’eau dans l’huile). Ces dispersions sont stabilisées par des couches monomoléculaires de tensioactifs adsorbés à la surface des bulles/gouttes. Suivant le tensioactif utilisé, le temps de vie peut aller de quelques minutes à quelques jours pour les mousses et quelques années pour les émulsions. En dépit de leur importance pratique (alimentation, pharmacie, cosmétique, peintures, récupération du pétrole, élaboration de nouveaux matériaux composites, etc..), le contrôle de leur stabilité reste empirique pour l’essentiel. Le problème est complexe, car plusieurs mécanismes entrent en jeu :
- la gravité, qui provoque le drainage des mousses ou le crémage des émulsions, suivis de coalescence (fusion de bulles/gouttes) lorsque le film d’eau entre les bulles/gouttes devient très fin
- le mûrissement d’Ostwald (sous l’effet de la pression de Laplace, les petites bulles/gouttes se vident dans les grosses)
Jusqu’ici on pensait que la stabilité était contrôlée par l’étape de coalescence, car il ne semblait pas que le mûrissement puisse être affecté par le type de tensioactif utilisé. Les études existantes de mûrissement montraient toutes des écarts par rapport aux prévisions théoriques, mais ces écarts étaient attribués au fait que le mûrissement dépend beaucoup de la fraction d’eau et que la théorie n’est valable que dans la limite des bulles ou gouttes diluées. En revanche, on soupçonnait les propriétés de la couche de tensioactif, à savoir son elasticité, de jouer un rôle important dans la coalescence où les surfaces sont violemment déformées. Cette élasticité est associée aux gradients de tension superficielle, donc de pression de surface (effet Marangoni). Elle dépend de la fréquence de mesure, les couches de tensioactifs ayant un comportement viscoelastique prononcé.

Dans nos expériences, nous avons montré que l’étape de mûrissement était très longue, et contrôlait de fait le temps de vie des systèmes. Par ailleurs, nous avons montré que le temps de vie des dispersions est bien corrélé avec l’élasticité de la surface mesurée à basse fréquence (les temps de mûrissement sont longs, >min) et pas corrélé avec l’élasticité de la surface mesurée à haute fréquence (les temps de coalescence sont courts, <s). L’élasticité de surface paraît donc bien contrôler la stabilité des mousses et des émulsions, mais mesurée à basse fréquence, pas à haute fréquence comme on le pensait auparavant. A titre d’exemple, une mousse faite avec le tensioactif C12E6 (alkyl poly-oxyethylene) a un temps de vie de 30’, et une mousse faite avec le tensioactif C12G2 (alkyl glucoside) un temps de vie de 2 jours : le module élastique basse fréquence pour C12E6 est beaucoup plus petit que celui de C12G2 (figure 1) cohérent avec l’écart entre les temps de vie. Le module haute fréquence est plus grand (noter l’inversion vers 1Hz sur la figure 1). Ceci confirme le peu d’influence de la coalescence dans ces mesures. Des résultats similaires ont été trouvés avec les émulsions.

La figure 1 illustre le rôle possible de l’élasticité lors du mûrissement : les bulles qui grossissent étirent la couche interfaciale, celle qui maigrissent la comprime, il est donc logique que cette elasticité joue un rôle dans le processus.

Figure 1. Rôle possible de l’élasticité dans le mûrissement

Il reste maintenant à expliquer comment le mûrissement dépend de l’élasticité, une tâche ardue, car les bulles des mousses (et les gouttes dans les émulsions concentrées) sont loin d’être sphériques comme dans la figure, et rien que sur le plan géométrique, le problème est complexe.

1. D. Georgieva, V. Schmitt, F. Leal-Calderon, D. Langevin “On the possible role of the surface elasticity in emulsion stability” Langmuir, 2009, DOI : 10.1021/la804240e
2. D. Georgieva, A. Cagna, D. Langevin “Link between surface elasticity and foam stability”, Soft Matter, 2009, DOI : 10.1039/B822568K