Formation et évolution d’une mousse liquide
Introduction :
Une mousse liquide est constituée de bulles de gaz prisonnières dans un liquide. Depuis des siècles, les mousses intriguent les physiciens comme Isaac Newton ou Lord Kelvin. Elles font de nos jours l’objet de recherches actives. Elles sont utilisées dans de nombreux domaines industriels car elles ont des propriétés très particulièresqui s’avèrent très pratiques dans l’usage que l’on en fait. Dans cet exposé nous allons nous intéresser à leur formation puis à leur évolution.
I Définition et obtention d’une mousse
1) Qu’est ce qu’une mousse ? Comment l’obtient-on ?
Une mousse est un système diphasique constitué d’une phase liquide continue et d’une phase gazeuse dispersée dans des bulles. Elle a durée de vie qui vitde plusieurs secondes à quelques jours. On distingue deux types de mousse :
* D’un côté, les mousses humides qui contiennent une fraction volumique de liquide élevée (de 5 à 30% de liquide). Les bulles y sont essentiellement sphériques. Ex mousse de bière.
* D’un autre côté, les mousses sèches qui contiennent très peu de liquide (2% ou moins). Les bulles sont alors polyédriques. Ex moussede liquide vaisselle.
Il faut, pour obtenir une mousse, mélanger du liquide et du gaz. On peut par exemple provoquer la désorption d’un gaz dissous dans un liquide en diminuant la pression ou en augmentant la température. C’est ainsi que la mousse à raser sort de la bombe ou encore que la mousse de champagne se forme quand on ouvre la bouteille. On peut aussi soumettre le gaz à une sollicitationmécanique, comme lorsque l’on sert un verre de bière. Une variante consiste à pomper l’eau pour la faire passer dans l’air à travers un matériau poreux, ce qui est le cas dans les lances à incendie. Les bulles ainsi obtenues ont une taille moyenne de 100 µm.
2) Structure d’une mousse : lois de Plateau
Au 19e siècle, Plateau a décrit la structure d’une mousse 2D. Sur cette figure, on peutvoir la structure d’une mousse : les bulles de gaz sont séparées par des films liquides. Les films qui se rejoignent forment les canaux, dits aussi bords de Plateau, dans lesquels circulent le liquide.
Plateau a énoncé trois lois pour traduire la disposition des bulles dans une mousse :
Règle première : la paroi d’une bulle isolée est une surface de courbure moyenne constante
Règle seconde :les parois des cellules polyédriques se rencontrent par trois en formant des
angles de 120°.
Règle troisième : les bords de Plateau se rencontrent toujours par quatre en formant entre eux
des angles de 109.5° environ (trièdre régulier : arccos(-?). Ces jonctions sont appelées des noeuds.
(Image)
On peut donc voir qu’il est assez facile d’obtenir une mousse. Cependant, il faut certainesconditions pour que celle-ci perdure. C’est ce que nous allons voir dans la deuxième partie.
II Formation d’une mousse
1) Tensioactifs
La formation des bulles génère une augmentation de l’aire interfaciale entre le liquide et le gaz. Cependant, cette surface ne peut s’étendre indéfiniment du fait des forces électrostatiques qui existent entre les molécules du gaz et du liquide, qui génèrentune tension superficielle. Plus la tension superficielle est élevée, plus il est difficile d’étendre la surface du liquide. A l’origine, la tension superficielle du liquide est trop élevée pour que sa surface puisse vraiment s’étendre. C’est alors que les tensioactifs interviennent. Ce sont des molécules avec une tête polaire et une queue apolaire. Dans un liquide polaire, ces moléculess’orientent spontanément aux interfaces liquide-gaz, la partie hydrophile étant tournée vers l’eau. Quand on a une concentration assez élevée de tensioactifs, ceux-ci saturent toutes les interfaces air-liquide de la mousse, les interactions électrostatiques se retrouvent alors changées, ce qui fait baisser la tension superficielle du liquide. Par exemple, l’eau avec l’air a une tension superficielle de 72…