Development of a Model Foamy Viscous Fluid

Développement d’un modèle de dispersion gaz-liquide de type mousse liquide visqueuse

¹ Clermont Université, Université Blaise Pascal, Institut Pascal, Campus des Cézeaux, Bâtiment Polytech, 24 avenue des Landais, BP 20206, 63174 Aubière Cedex – France
² CNRS, UMR 6602, CNRS, IP, 63171 Aubière – France
³ Mars GmbH, Eitzer Strasse 215, 27283 Verden – Germany
e-mail: christophe.vial@univ-bpclermont.fr – issa.narchi@effem.com

^* Corresponding authors

Abstract

The objective is to develop a model viscous foamy fluid, i.e. below the very wet limit, the rheological and stability properties of which can be tuned. First, the method used for the preparation of foamy fluids is detailed, including process and formulation. Then, experimental results highlight that stable foamy fluids with a monomodal bubble size distribution can be prepared with a void fraction between 25% and 50% (v/v). Their viscoelastic properties under flow and low-strain oscillatory conditions are shown to result from the interplay between the formulation of the continuous phase, void fraction and bubble size. Their apparent viscosity can be described using the Cross equation and zero-shear Newtonian viscosity may be predicted by a Mooney equation up to a void fraction about 40%. The Cox-Merz and the Laun’s rules apply when the capillary number Ca is lower than 0.1. The upper limit of the zero-shear plateau region decreases when void fraction increases or bubble size decreases. In the shear-thinning region, shear stress varies with Ca^1/2, as in wet foams with immobile surfaces. Finally, foamy fluids can be sheared up to Ca about 0.1 without impairing their microstructure. Their stability at rest achieves several hours and increases with void fraction due to compact packing constraints. These constitute, therefore, versatile model fluids to investigate the behaviour of foamy fluids below the very wet limit in process conditions.

Résumé

L’objectif est de développer un fluide modèle représentatif des « mousses liquides », c’est-à-dire présentant un taux de vide en deçà de l’empilement aléatoire de sphères, dont les propriétés rhéologiques et la stabilité peuvent être prédites. Tout d’abord, la préparation de ces fluides modèles sera décrite à la fois en termes de formulation et de procédés. Ensuite, les résultats expérimentaux seront discutés. Ceux-ci montrent que des mousses liquides visqueuses modèles présentant une distribution de tailles de bulles monomodales ont été obtenues avec un taux de vide entre 25 % et 50 % (v/v). Leurs propriétés viscoélastiques en écoulement et aux faibles déformations résultent des interactions entre la formulation de la phase continue, le taux de vide et le diamètre des bulles. Leur viscosité apparente peut être décrite par un modèle de Cross et la viscosité à cisaillement nul peut être prédite par le modèle de Mooney jusqu’à un taux de gaz de 40 %. Les mesures en mode harmonique ont montré que les règles de Cox-Merz et de Laun s’appliquent quand le nombre capillaire Ca est inférieur à 0,1. L’étendue du plateau Newtonien à faible cisaillement décroît lorsque le taux de vide augmente ou lorsque la taille des bulles diminue. Dans le domaine rhéofluidifiant, la contrainte de cisaillement varie proportionnellement à Ca^1/2, comme dans les mousses humides présentant des interfaces immobilisées. Finalement, les mousses liquides visqueuses obtenues ont pu être cisaillées jusqu’à des valeurs de Ca de 0,1 sans modifier leur microstructure. La stabilité de ces fluides au repos atteint plusieurs heures et elle augmente avec le taux de vide à cause des contraintes stériques entre les bulles ; ils constituent donc des fluides modèles intéressants pour l’étude des mousses liquides visqueuses présentant un taux de vide en deçà de l’empilement aléatoire de sphères.