Coalescence (physique)

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Coalescence de deux gouttes entrant en contact

La coalescence est un phénomène par lequel deux substances identiques, mais dispersées, ont tendance à se réunir. Le phénomène principal qui entre en jeu est que le matériau optimise sa surface sous l'action de la tension superficielle, de manière à atteindre un minimum d'énergie. La coalescence se produit généralement dans des fluides mais peut également unir des particules solides. Elle se rencontre dans plusieurs processus de domaines aussi variés que la formation des gouttes de pluie en météorologie, des plasmas en astrophysique et du métal en métallurgie.

Définition[modifier | modifier le code]

À la surface d'un milieu dense (liquide ou solide), ou à l'interface entre deux milieux denses, est associée une certaine énergie par unité de surface (exprimée en joules par mètre carré — J/m2) dont l'origine est la force de cohésion entre molécules identiques. Cette tension de surface est donc proportionnelle à la surface.

Dans le cas de la coalescence de bulles d'air dans un liquide (mousse), la coalescence s'explique par le drainage du liquide entre deux bulles voisines puis la rupture du film interfacial mais aussi, dans une moindre mesure, par la théorie stochastique développée par Gosh et Juvekar[1].

Dans le cas de gouttes de liquides, leur masse dépend de leur diamètre au cube alors que leur surface dépend du diamètre au carré. Lorsque deux gouttes de fluide se rencontrent, leur union minimise la surface par rapport à la masse totale. Selon l'énergie cinétique des gouttes et le diamètre de la goutte résultante, celle-ci peut être stable ou relâcher de sa masse sous forme de gouttelettes secondaires pour se stabiliser.

Pour un solide, comme un métal soumis à l'irradiation, il se crée des cavités, qui par coalescence peuvent donner une rupture après l'union.

Mousses et émulsions[modifier | modifier le code]

Une mousse liquide ou émulsion a tendance à se déstabiliser en l'absence de surfactants. Au cours du temps, les bulles grandissent à cause du mûrissement et de la coalescence. La distinction entre les deux est importante.

  • Le murissement est induit par les différences de tailles entre les bulles: Une bulle de petite taille se vide dans une bulle de taille supérieure. Le murissement tend à l'obtention d'une mousse ou émulsion monodisperse ;
  • La coalescence est due à la rupture du film présent entre les deux bulles ou gouttes.

À titre d'exemple, deux gouttes de mercure qui viennent à se toucher se rassemblent subitement pour ne faire qu'une seule goutte. On peut citer aussi une émulsion d'huile et d'eau que l'on a mélangés et secoués énergiquement. On observe alors que les gouttes d'huile fusionnent entre elles progressivement jusqu'à ne former qu'une seule grande goutte traduisant la séparation finale entre l'huile et l'eau.

C'est le cas également dans une mousse liquide, lorsqu'un film de savon se rompt et que les deux bulles d'air adjacentes se rejoignent pour n'en former plus qu'une seule.

Technique d'analyse de la stabilité physique[modifier | modifier le code]

L’analyse visuelle reste aujourd’hui le test le plus utilisé. L’échantillon est placé dans un contenant transparent et observé à l’œil nu à intervalle de temps régulier. Le temps de mesure est directement lié à l’application et il peut être de quelques minutes (vinaigrette) à plusieurs mois ou années (crème cosmétique). Si les observations visuelles mettent en évidence une variation de l’homogénéité (changement de couleur, séparation de phase, migration…) supérieur à un niveau acceptable, alors le produit est jugé comme instable et devra être reformulé ou soumis à un changement du procédé de fabrication.

Le rapport technique TR 13097 : "Guidelines for the characterization of dispersion stability" résume l’ensemble des techniques disponibles pour suivre la stabilité physique des systèmes dispersés.

Ce document présente :

-      Les mécanismes de déstabilisation : variation de taille de particule, migration, inversion de phase…

-      Les outils de caractérisation (observation visuelle,diffusion de lumière avec ou sans résolution spatiale, acoustique et électroacoustique…)

-      Méthodes d’accélération de la déstabilisation (accélération thermique par élévation de la température ou mécanique...)

-      Prédiction de la stabilité

La déstabilisation des systèmes colloïdaux est un processus cinétique, quel que soit le test de stabilité choisi (observation visuelle, granulométrie, diffusion de la lumière, rhéologie, potentiel zeta…), l’évolution du ou des paramètres en fonction du temps doit être pris en compte. Le test de stabilité doit donc être répété dans le temps et à un intervalle régulier afin de détecter les variations inhabituelles par rapport à un produit jugé comme stable.

Le rapport technique insiste sur l’intérêt d’analyser l’échantillon avec des techniques non destructives et présente les limites des méthodes d’accélération. 

Méthodes d’accélération pour la prédiction de la durée de vie[modifier | modifier le code]

Le processus cinétique de déstabilisation peut prendre du temps, d’où l’intérêt des techniques avec une plus grande sensibilité et les méthodes d’accélération. L’élévation de la température est la méthode la plus employée et permet une diminution de la viscosité, augmentation des phénomènes de diffusion/collision… En plus d’augmenter les vitesses de déstabilisation, le stockage à température élevée permet de simuler les conditions de vie d’un produit manufacturé (lors du stockage et transport, les températures peuvent facilement atteindre 40°C). La température ne doit pas excéder une valeur critique et propre à chaque système (température d’inversion de phase, de dégradation chimique ou d’ébullition) rendant alors ce test non conforme aux conditions réelles. D’autres techniques d’accélération peuvent être utilisées comme la centrifugation, mais doivent être prises avec précaution car les forces exercées sur le système peuvent engendrer des modifications des propriétés originelles de l’échantillon (changement de viscosité, modification du réseau du polymère, ségrégation des particules…) et donc fournir des résultats différents de la réalité.

Météorologie[modifier | modifier le code]

En microphysique des nuages, les gouttelettes croissent à des vitesses différentes par condensation et par effet Bergeron, selon la concentration de vapeur d'eau. Elles auront donc une variété de diamètres et se déplaceront à une vitesse différente reliée à leur diamètre dans le courant ascendant. La coalescence est l'amalgamation subséquente de deux ou plusieurs gouttelettes par collision pour en former de plus grosses.

Les plus grosses bougeant plus lentement capturent en effet les plus petites en montant puis lorsqu'elles ne peuvent plus être soutenues par le courant, elles redescendront et poursuivront leur croissance de la même façon[2]. Les flocons de neige agissent de façon similaire en tombant mais ce processus est généralement nommé agrégation.

Électro-coalescence[modifier | modifier le code]

L’électro-coalescence est une technique utilisée dans l'assèchement des pétroles lourds. L’eau par rapport à l'huile est conductrice et dans une enceinte constituée de deux électrodes au potentiel les gouttes d’eau vont se rapprocher. Du fait de la polarisation les gouttes s'allongent et prennent la forme d'une ellipse qui permettra de favoriser leur coalescence et permettre une collecte plus efficace de l'eau contenue dans les bruts[3].

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. (en) P. Ghosh et V.A. Juvekar, « Analysis of the Drop Rest Phenomenon », Chemical Engineering Research and Design, Elsevier B.V, vol. 80, no 7,‎ 2002, p. 715-728 (DOI 10.1205/026387602320776795)
  2. (fr) « Coalescence », Comprendre la météo, Météo-France (consulté le 2009-09-12)
  3. Steeven Nathanael Abadier, « Deshydrations des bruts lourds par electrocoalescence », sur Mémoire on line (consulté le 4 juin 2012)

6http://www.iso.org/iso/home/store/catalogue_tc/catalogue_detail.htm?csnumber=52802

Articles connexes[modifier | modifier le code]