Effect of Surfactants on the Deformation and Detachment of Oil Droplets in a Model Laminar Flow Cell

Étude de l’effet de tensioactifs sur la déformation et le détachement de gouttes d’huiles modèles à l’aide d’une cellule à flux laminaire

¹ EA 4297 TIMR UTC/ESCOM, Université de Technologie de Compiègne, 60200 Compiègne – France
² WHEATOLEO, Route de Bazancourt, 51110 Pomacle – France
³ UMR CNRS 7338 BMBI, Université de Technologie de Compiègne, 60200 Compiègne – France
e-mail: v.freville@ebi-edu.com – elisabeth.van-hecke@utc.fr – c.ernenwein@a-r-d.fr – anne-virginie.salsac@utc.fr – isabelle.pezron@utc.fr

^* Corresponding author

Abstract

Sugar-based surfactants are increasingly present in the development of eco-friendly detergents due to current regulations and consumer demand. In order to assess the degreasing performance of these new surfactants, the behavior of model oil droplets subjected to the action of a flow of surfactant solutions of different concentrations was studied in a laminar flow cell and related to the physico-chemical properties measured at the liquid/liquid (interfacial tension) and solid/liquid/liquid interfaces (contact angle). With the surfactant solutions and the model oils employed in this study, three main behaviors were observed when a critical flow rate was reached: elongation, fragmentation or spontaneous detachment of the droplet. The analysis of the results leads to a correlation between the droplet behavior and the balance of the forces applied on the droplet in its initial position, in particular the gravity force F_g, which tends to move the oil droplet upwards (given the density difference), and the capillary force F_c, which tends to keep the droplet spherical. A state diagram could be established, based on the dimensionless Bond number (F_g/F_c) and cosθ, θ being the initial contact angle of the drop on the surface before the establishment of the flow. One can thus predict the droplet behavior as a function of the system initial characteristics. The results allowed the comparison of degreasing performance of the different surfactants used and illustrated the potential of AlkylPolyPentosides (APP) for detergent formulations.

Résumé

Les tensioactifs « verts » à tête polaire dérivée de sucre (glucose, pentose) sont de plus en plus présents dans les formulations détergentes en raison des réglementations en vigueur et des demandes des consommateurs. Dans le but d’étudier le pouvoir détergent de ces nouvelles molécules, le comportement de gouttes d’huiles modèles soumises à un flux de solution détergente de concentration variable, a été étudié à l’aide d’une cellule à flux laminaire et corrélé aux propriétés physicochimiques des systèmes aux interfaces liquide/liquide et solide/liquide/liquide. Trois comportements principaux ont été observés à partir d’une valeur critique du débit de détergent : un étalement, un fractionnement de la goutte ou bien son détachement spontané de la surface. L’analyse des résultats a montré une corrélation entre le comportement de la goutte et l’équilibre des forces s’exerçant sur la goutte dans sa position initiale (avant l’application du flux), en particulier en considérant la force de gravité, qui tend à détacher la goutte de la surface, et la force capillaire, qui tend à maintenir sa forme sphérique. Un diagramme d’état a pu être établi, permettant de prédire le comportement de la goutte, en fonction du nombre de Bond (rapport des forces de gravité sur les forces capillaires) et du cosinus de l’angle de contact de la goutte dans sa position initiale. Les résultats obtenus ont permis de comparer les performances de différents tensioactifs en termes de dégraissage et d’illustrer le potentiel des AlkylPolyPentosides (APP) pour cette application.