Les mortiers colles se composent essentiellement de ciment, de sable, de charges minérales et d'une variété d'additifs (éthers de cellulose, entraînant d'air, latex) et sont utilisés pour coller des carreaux céramique (et d'autres pièces comme la pierre, le verre, etc.) aux substrats. Ils sont généralement appliqués dans une grande surface sur le substrat sous la forme de nervures sur lesquelles les carreaux sont mis. Afin d'obtenir une bonne performance, il est important que les propriétés rhéologiques du mortier permettent un bon contact entre les carrelages, même après plusieurs minutes (temps ouvert) d'exposition aux conditions ambiantes, soit à l'intérieur soit à l'extérieur des bâtiments. A cet effet, il est nécessaire d'éviter la formation d'une couche rigide et/ou sèche à l'interface mortier-air, qui peut être difficile à déformer ou à humidifier correctement la surface de la dalle. Comme le contact initial entre le mortier et le carrelage est la première étape pour le développement des propriétés adhésives entre les matériaux, une bonne compréhension de l'évolution des propriétés rhéologiques à l'interface air-mortier est d'une grande importance pour les producteurs de mortier et les utilisateurs. Dans ce contexte, cette thèse a d'abord développé des méthodes d'évaluation des propriétés interfaciales et une technique microscopique pour visualiser le contact. Ensuite, ces techniques combinées à des essais de tack test/ squeeze et à des procédés rhéologiques déjà existants peuvent être utilisé pour évaluer comment des additifs polymères tels que l'éther de cellulose influent sur les propriétés rhéologiques du mortier adhésif dans le volume et à l'interface pour mieux comprendre les propriétés adhésives. Et enfin, avec l'utilisation de la RMN, ces propriétés pourraient être corrélées avec l'évolution de la distribution de l'eau. / Adhesive mortars consist basically of cement, sand, mineral fillers and a variety of additives (cellulose ethers, air-entraining, latex) and are used to glue ceramic tiles (and other pieces like stone, glass etc) to substrates. They are usually applied in a large surface on the substrate in the form of ribs on which tiles are put. In order to obtain a good performance it is important that when the tile is installed, the mortar rheological properties allow for good contact between them, even after several minutes (open time) of exposure to ambient conditions either at internal or external building areas. For this purpose, it is necessary to avoid the formation of a rigid and/or dry layer at the mortar-air interface, which may be difficult to be deformed or wet the tile surface properly. As the initial contact between mortar and tile is the first step for the development of adhesive properties between the materials, a good comprehension of the rheological properties evolution at the air-mortar interface is of great importance for mortar producers and users. In this context, this thesis firstly developed methods to evaluate interfacial properties and a microscopical technique to visualize the contact. Then, those techniques combined with already existent squeeze flow/tack test and rheological methods can be used to evaluate how polymer additives such as cellulose ether influence the adhesive mortar rheological properties in the volume and at interface to further understand the adhesive properties. And finally, with the use of NMR, those properties could be correlated with water distribution evolution.

京都大学 / 0048 / 新制・論文博士 / 博士(農学) / 乙第13247号 / 論農博第2872号 / 新制||農||1070(附属図書館) / 学位論文||H31||N5171(農学部図書室) / (主査)教授 松村 康生, 教授 丸山 伸之, 教授 谷 史人 / 学位規則第4条第2項該当 / Doctor of Agricultural Science / Kyoto University / DFAM

A new method for determining viscoelastic properties on the interfacial interface called interfacial rheology was intoduced and investigated. Measured data were compared with data from tanziometer for model system of surfactant. Three concentration renge of surfactant, namely SDS (anionic), TTAB (cationic) and Tween (nonionic), were measured. From the measured data the influence of structure, critical micellar concentration and charge on the viscoelastic properties of the interfacial interface was determined. Furthermore, this new method was used for biological systems and specifically for biofilms of two bacterial strains. First, the viscoelastic properties of biofilms on the agar were determined, and the viscoelastic properties dependence on temperature

Asphaltenic crude oil is a complex fluid containing various components with different chemical properties. When it comes in contact with water, its polar components adsorb at the oil/water interface, reducing the interfacial tension and eventually developing viscoelastic films. The interfacial films impact emulsion stability and adhere to the oil-bearing reservoirs rocks, altering their wettability and thus hindering oil mobilization. Here, we investigate the formation of crude oil/water interfacial films. We measure both the time-dependent shear and extensional interfacial rheology moduli, and we relate it to the chemical composition of the films, highlighting the role of polar aromatic molecules in film formation. Varying chemical composition of the aqueous phase, we show that the properties of the interfacial films depend not only on the concentration of ionic species in water but also on their chemical nature. In particular, we highlight the role of sulfate salt in promoting interfacial viscoelasticity and in altering the composition of fully developed films. To study the rock/fluid interaction, we fabricate mixed-wet capillaries with angular cross-sections inspired by the naturally occurring primary drainage of pore-filling brine by invading crude oil. After employing our novel coating procedure, we experimentally investigate water invasion in mixed-wet capillaries and compare it with predictions of dynamic and quasi-static (Mayer-Stowe-Princen (MSP)) meniscus-invasion models. None of the dynamic models built for uniformly-wet pores can fully describe our experimental data in mixed-wet capillaries. However, the experimental results agree with predictions of MSP theory. To our knowledge, this is the first direct experimental validation of MSP theory under mixed-wet conditions. We confirm the possibility of spontaneous piston-type imbibition with high ($> 90^{\circ}$) advancing contact angles into mixed-wet pores, given that the contact angle is lowered below a critical value that is a function of pore geometry and residual water saturation. In oil reservoirs, injection of specific brines would be required to change the contact angle to values below the imbibition threshold. Finally, we extend our study and introduce a powerful 3D high-speed laser imaging of dynamic fluid flow in angular capillaries and investigate its capability to capture non-equilibrium shapes of fluid interfaces.

The aim of this diploma thesis is to optimize a method of interfacial rheology for testing the interfacial behaviour of biofilms on the liquid-air interface and after that use the method for studying the biofilm formation under optimal and stress conditions. For studying the biofilm formation, Kombucha was used. It is a microbial culture forming a cellulose biofilm on the interface. As the stress conditions, reduction of sucrose concentration, change of pH and change of ionic strength was used. Next, the ability of regeneration of biofilm formed on the interface was studied. The biofilm formation was occured in all cases except of increasing ionic strength. As expected, the best biofilm biofilm growth was observed under optimal condition, which means a sucrose concentration 100 g/l.

[pt] Filmes finos líquidos desempenham um grande papel em diversas aplicações cotidianas e são de interesse indiscutível para pesquisadores científicos e industriais. Evidências de filmes finos são observadas na natureza em grandes escalas, como avalanches de neve nas montanhas, escoamento de lava em vulcões e deslizamentos de terra, e em pequenas escalas, como nas vias respiratórias pulmonares e na superfície dos olhos. Eles também são estão presentes em muitas aplicações industriais, variando de resistores de filme fino de alta resistência, atomização, métodos de litografia e várias técnicas de revestimento. Entender os mecanismos que contribuem para a estabilidade de filmes finos líquidos é um problema desafiador, pois o escoamento de filmes finos apresenta uma interface fluido-fluido livre para deformar. A instabilidade de um filme fino é geralmente impulsionada por forças intermoleculares de longo alcance, também conhecidas como atrações de van der Waals, e resultam na ruptura do filme. Investigações numéricas são frequentemente usadas para entender a dinâmica de ruptura de filmes líquidos finos, abordando a evolução da espessura do filme usando derivações assintóticas da teoria da lubrificação ou técnicas de rastreamento de interface. Neste trabalho, uma investigação computacional da dinâmica de ruptura de um filme fino líquido estacionário com uma interface viscosa é apresentada. O método Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) é usado para rastrear a posição da interface. O comportamento reológico da interface viscosa é modelado pela lei constitutiva de Boussinesq-Scriven, e a solução numérica é obtida através da aproximação de elementos finitos. Os resultados mostram que a estabilidade do filme líquido fino é influenciada tanto pela reologia da superfície quanto pela atração intermolecular e que o caráter viscoso da interface retarda a quebra da folha, levando a filmes mais estáveis. / [en] Thin liquid films play a big role in many real-life applications and are of indisputable interest to scientific and industrial researchers. Evidence of thin films are observed in nature in large scales such as snow avalanches in the mountains, lava flows on volcanoes and landslides, and in small scales such as the pulmonary airways and the eye surface. They are also widespread in many industrial applications, ranging from high-resistance thin film resistors, atomization, soft-lithography methods and several coating techniques such as dip, roll, slot, spin and curtain coating. Understanding the physical mechanisms contributing to the stability of thin liquid films is a challenging problem, as thin films flows present a fluid-fluid interface which is free to deform. The interface is bounded between two liquids or a liquid and a gas, typically having its own dynamic properties from which interfacial tension effects and complex interfacial rheological behavior arises. Instability is usually driven by long-range intermolecular forces, also known as van der Waals attractions, and may result in the rupture of the layer. Numerical investigation is often used to understand the breakup dynamics of thin liquid sheets by addressing the evolution of the film thickness using either asymptotic derivations of the lubrication theory or interface tracking techniques. In this work, a computational investigation of the breakup dynamics of a stationary thin liquid sheet bounded by a passive gas with a viscous interface is presented. The Arbitrary Lagrangian-Eulerian method (ALE) is used to track the interface position. The rheological behavior of the viscous interface is modeled by the Boussinesq-Scriven constitutive law, and the numerical solution is obtained through finite element approximation. The results show that thin liquid film stability is influenced both by surface rheology and disjoining effects and that the viscous character of the interface delays the sheet breakup, leading to more stable films.

La formation d'émulsions eau-dans-huile stables est un problème majeur rencontré par les pétroliers au niveau de la production mais aussi du raffinage. Afin d'essayer de prévoir ce phénomène, Total a développé une méthode de classement des huiles qui permet, à partir de leurs propriétés physico-chimiques, de déterminer a priori leur capacité à former ou non des émulsions stables. Cependant, les mécanismes interfaciaux sous-jacents ainsi que l’influence des molécules tensioactives du brut sur la stabilité des émulsions n’est pas très clair. Notre travail a consisté à étudier la contribution des acides naphténiques et des asphaltènes dans les phénomènes observés. L’étude d’huiles réelles a permis d’établir un lien entre la stabilité des émulsions et la formation à l'interface d'un gel 2D. Les études menées sur les huiles réelles dont les acides naphténiques ont été extraits ont permis de montrer que ces derniers, en compagnie de leurs formes ionisées, les naphténates, ont la capacité de réduire la stabilité des émulsions en diminuant la résistance du gel interfacial, ou même en empêchant sa formation. Les expériences réalisées sur les huiles réelles dépourvues d’asphaltènes ont permis de confirmer le rôle stabilisant des asphaltènes. Les résultats obtenus suggèrent que les asphaltènes s’adsorbent sur le gel 2D déjà formé par des tensioactifs passés de l’huile vers l’eau et le rapprochent ainsi de sa transition vitreuse. La résistance du gel interfacial s'en trouve alors augmentée, ce qui conduit à la formation d'émulsions plus stables. En croisant le classement industriel des bruts opéré par Total et les résultats de l’étude, un mécanisme global, régi par la compétition entre les acides naphténiques, les naphténates et les asphaltènes à l’interface E/H est proposé pour expliquer les différences de stabilité observées avec les différentes huiles. Lorsque les acides et les naphténates sont suffisamment concentrés, ils empêchent la formation du gel interfacial et les émulsions sont peu stables. Lorsqu’ils sont moins concentrés le rôle des asphaltènes peut alors devenir prépondérant en donnant une cohésion plus importante au gel qui se rapproche de sa transition vitreuse, ce qui conduit en général au renforcement de la stabilité des émulsions formées. / Water-in-crude oil emulsions are a major issue for oil companies in both production and refining facilities. Thanks to physical and chemical characterizations, Total set a classification which allows the decision of a crude oil ability to create stable emulsions. However the interfacial mechanisms implied and the influence of the indigenous surfactants of crude oil remain unclear. Our work consists in studying the naphthenic acids and asphaltenes contribution to the w/o emulsion stability. The study of realistic crude oils enabled the discovery of a link between the emulsion stability with the formation of a very particular interfacial behavior: a two-imensional gel. Experiments with desacidified oils have proven the destabilizing ability of naphthenic acids and their ionized form, naphthenates. They actually decrease the interfacial gel strength and can even prevent the gel formation. Asphaltenes-free crude oils have permitted to confirm the stabilizing role of asphaltenes. Rather than adsorbing directly on the interface, asphaltenes seem to adsorb on the interfacial gel already formed. The gel strength is thus increased and lead to higher emulsion stability. Thanks to these results and the industrial classification of crude oil developed by Total, a global mechanism explaining the emulsion stability process has been proposed. This mechanism is governed by the competition between asphaltenes, naphthenates and naphthenic acids at the water/oil interface. If the concentration of naphthenic acids and naphthenates is high enough, the interfacial gel cannot be formed and the emulsions are unstable. If the crude oil is not acidic enough, the asphaltenes influence increases dramatically and implies the strengthening of the gel which becomes closer to his glass transition. This generally leads to the formation of more stable emulsions.

Es werden die Gleichgewichtskonstanten der Zinkextraktion ermittelt. Das Wilson-Modell und das erweiterte Debye-Hückel-Gesetz werden zur Beschreibung der Aktivitäten verwendet. Die tensiometrischen Untersuchungen erfolgen am hängenden Tropfen. Die Modellauswahl zur Beschreibung der Gleichgewichtsgrenzflächenspannung erfolgt im submizellaren Konzentrationsbereich. Die pseudo-nichtionische Modellierung auf der Basis der Langmuir-Isothermen der Mehrkomponentenadsorption bei Verwendung der Stern-Isothermen für die Gegenionenanreicherung liefert die beste Datenanpassung. Durch ein einfaches Modell zur Mizell- und Aggregatbildung gelingt die Modellerweiterung. Die gemessenen dynamischen Grenzflächenspannungskurven werden sorptionskinetisch und durch diffusive Approximationen angepasst. Es zeigt sich, dass der Stofftransport diffusionsdirigiert ist. Am oszillierenden Tropfen werden die Ergebnisse bestätigt. Für das Kationenaustauscheranion wird die Gültigkeit des Maxwell-Modells zur Beschreibung der Grenzflächendilatationsrheologie nachgewiesen.

Les nanoémulsions (NEs) huile/eau peuvent être utilisées en tant que systèmes de délivrance des médicaments pour l’encapsulation des substances actives hydrophobes afin d’améliorer leur stabilité et leur biodisponibilité. Néanmoins, leur stabilisation nécessite l’utilisation de concentrations plus importantes de tensioactifs par rapport aux émulsions conventionnelles en raison de l’augmentation de la surface spécifique. La plupart des tensioactifs synthétiques couramment utilisés dans la formulation des émulsions sont potentiellement irritants, voire toxiques. Cela entrave l'application thérapeutique des NEs en particulier pour les traitements à long terme. L'objectif de cette thèse est alors de formuler des NEs pharmaceutiques huile/eau stabilisées par un biopolymère, la beta-lactoglobuline (beta-lg), à la place des tensioactifs synthétiques.Les NEs ont été préparées par homogénéisation à haute pression (HHP). La composition de la formulation et les conditions du procédé ont été optimisées afin d’obtenir des gouttelettes nanométriques dans des NEs stables. Les résultats ont montré que les NEs les plus stables, avec une taille de gouttelettes < 200 nm, ont été obtenues quand 5 m/m% de l’huile ayant la viscosité la plus faible ont été utilisés en tant que phase huileuse, 95 m/m% de la solution de beta-lg à une concentration de 1 m/m% ont été utilisés en tant que phase aqueuse et 4 cycles d’HPH de 100 MPa ont été appliqués. Cette formulation a été stable contre les phénomènes de croissance de gouttelettes pendant au moins 30 jours grâce à un film interfacial quasiment purement élastique. La gomme xanthane, un polysaccaride naturel, a été ajoutée à la formulation optimale à une concentration de 0,5 m/m% en tant qu’agent épaississant. Cela a permis d’obtenir une texture crémeuse avec un comportement rhéofluidifiant. Dans cette dernière formulation, la vitesse de migration des gouttelettes a été considérablement réduite et la stabilité des NEs a été améliorée.Les effets du procédé d’HPH sur les différents niveaux de structure de la protéine ont été évalués à l’aide de méthodes spectroscopiques, chromatographiques et électrophorétiques. L’influence de ce traitement sur ses propriétés interfaciales et émulsionnantes a également été étudiée. L’efficacité émulsionnante optimale a été obtenue quand les conditions d’HPH n’ont pas altéré la structure de la beta-lg, ni ses propriétés interfaciales. Néanmoins, un traitement d’HHP excessif (300 MPa/5 cycles) a induit des modifications structurelles, principalement une transformation des feuillets beta en structures désordonnées, une large perte dans le cœur hydrophobe, et une agrégation importante par des liaisons disulfure intermoléculaires. La beta-lg modifiée par l’HHP a montré une hydrophobie de surface plus importante conduisant à une vitesse d’adsorption à l’interface huile/eau plus élevée et une formation plus précoce d’un film interfacial. La dénaturation de la protéine par ce traitement à haute pression, qui a été effectuée avant le processus d’émulsification, n'a pas modifié de façon significative l'efficacité émulsionnante. La réduction de l’efficacité a été probablement plutôt induite par la dénaturation simultanée avec l’émulsification sous conditions d’écoulement très turbulent.L’intérêt de la formulation développée en tant que véhicule pour un modèle de substance active hydrophobe a été étudié avec l’isotrétinoïne (IT), usuellement utilisé pour le traitement de l’acné sévère. La formulation développée a permis d’encapsuler 0,033 m/m% d’IT sans aucune modification de la stabilité du système. Environ 10 % de l’IT ajoutée ont été solubilisés dans la phase aqueuse en association avec la protéine libre en excès. L’IT encapsulée dans les gouttelettes huileuses a été plus stable contre la photo-isomérisation que celle associée à la protéine libre. La formulation développée apparait prometteuse en tant que système de délivrance de l’IT pour une application cutanée. / Oil-in-water nanoemulsions can be used as drug delivery systems for the encapsulation of hydrophobic active substances in order to increase their solubility and their bioavailability. However, due to their higher specific area, their stabilization requires higher surfactant concentrations compared to conventional emulsions. Most of the synthetic surfactants commonly used in emulsion formulation are potentially irritant and even toxic, which hinders the therapeutic application of nanoemulsions especially during long-term treatment. The objective of this thesis is thus to formulate pharmaceutical oil/water nanoemulsions stabilized by a biopolymer, beta-lactoglobulin (beta-lg), instead of synthetic surfactants. Nanoemulsions were prepared by high pressure homogenization (HPH). The formulation composition and the process conditions were optimized in order to obtain nanometric droplets within stable nanoemulsions. The results showed that the most stable nanoemulsions, with droplet size inférieure à 200 nm, were obtained when 5 w/w% of the oil with the lowest viscosity value was used as the oily phase, 95 w/w% of beta-lg solution at a concentration of 1 w/w% was used as the aqueous phase, and 100 MPa of homogenization pressure was applied for 4 cycles. This formulation was stable against droplet growth phenomena during 30 days at least, thanks to a quasi purely elastic interfacial film. Xanthan gum, a natural polysaccharide, was added to the optimal formulation as a texturizing agent at a concentration of 0.5 w/w%. This allowed obtaining a cream texture with a shear thinning behavior. In this formulation, the migration rate of droplets was considerably reduced and the nanoemulsions stability was enhanced.The effects of the homogenization process on the different levels of the protein structure were assessed by spectroscopic, chromatographic and electrophoretic methods. The influence of this treatment on its interfacial and emulsifying properties was also investigated. The optimal emulsifying efficiency was obtained when the homogenization conditions did alter neither the structure of beta-lg nor its interfacial properties. However, an excessive HPH treatment (300 MPa/5 cycles) introduced structural modifications, mainly from beta-sheets into random coils, wide loss in lipocalin core, and protein aggregation by intermolecular disulfide bridges. HPH modified beta-lg displayed higher surface hydrophobicity inducing a higher adsorption rate at the O/W interface and an earlier formation of an elastic interfacial film. Structural and interfacial properties modifications by HPH denaturation appeared qualitatively similar to that of the heat denaturation with, however, differences in extent. Protein denaturation by a high pressure treatment that was performed before the emulsification process did not alter significantly its emulsifying efficiency. The reduction in the efficiency was rather induced by the simultaneous denaturation with the emulsification under high turbulent flow.The efficiency of the developed formulation as a vehicle for a model hydrophobic active substance was studied using isotretinoin, usually used for the treatment of severe acne. The developed formulation was able to encapsulate 0.033 w/w of isotretinoin without any modification on the system stability. About 10 % of the added isotretinoin was solubilized in the aqueous phase associated with the free protein in excess. Isotretinoin encapsulated in the oily droplets was more stable against photo isomerization than the one associated to the excess protein in the aqueous phase. The developed formulation seems promising as a drug delivery system of isotretinoin for a dermal application.

Es werden die Gleichgewichtskonstanten der Zinkextraktion ermittelt. Das Wilson-Modell und das erweiterte Debye-Hückel-Gesetz werden zur Beschreibung der Aktivitäten verwendet. Die tensiometrischen Untersuchungen erfolgen am hängenden Tropfen. Die Modellauswahl zur Beschreibung der Gleichgewichtsgrenzflächenspannung erfolgt im submizellaren Konzentrationsbereich. Die pseudo-nichtionische Modellierung auf der Basis der Langmuir-Isothermen der Mehrkomponentenadsorption bei Verwendung der Stern-Isothermen für die Gegenionenanreicherung liefert die beste Datenanpassung. Durch ein einfaches Modell zur Mizell- und Aggregatbildung gelingt die Modellerweiterung. Die gemessenen dynamischen Grenzflächenspannungskurven werden sorptionskinetisch und durch diffusive Approximationen angepasst. Es zeigt sich, dass der Stofftransport diffusionsdirigiert ist. Am oszillierenden Tropfen werden die Ergebnisse bestätigt. Für das Kationenaustauscheranion wird die Gültigkeit des Maxwell-Modells zur Beschreibung der Grenzflächendilatationsrheologie nachgewiesen.