Courbe d’écoulement de viscosité – Partie 1

Pourquoi mesurer une courbe d’écoulement de viscosité, plutôt que de donner simplement un nombre ?

Très souvent, on demande aux chimistes de fournir une seule valeur de viscosité pour un produit ou une formulation sans beaucoup d’informations sur les conditions requises pour la mesure. Pour une huile ou un liquide à faible viscosité qui est Newtonien, c’est assez simple, tant que votre viscosimètre est correctement étalonné et que la température de mesure est fournie. Cependant, la plupart des fluides complexes ou d’intérêt industriel, tels que les solutions polymères, les suspensions et les émulsions, sont non-Newtoniens, ce qui signifie que leur viscosité varie avec le taux de cisaillement – le taux de cisaillement étant le taux auquel une force de cisaillement est appliquée – et peut également dépendre du temps (thixotropie). Par conséquent, pour les échantillons sensibles au cisaillement ou au temps, il faut poser quelques questions supplémentaires pour pouvoir générer les données requises.

Comme on pourrait s’y attendre, abaisser la viscosité facilite le pompage et l’étalement d’un liquide, tandis que l’augmenter réduit les éclaboussures – potentiellement un avantage pour des produits tels que les peintures et encres. Une viscosité élevée peut également fournir la structure nécessaire pour suspendre les particules dans les médicaments, les produits de soins personnels et les boissons. S’assurer que la viscosité d’un produit est bien adaptée aux exigences d’utilisation finale est une stratégie précieuse pour augmenter la valeur du produit et répondre aux attentes des consommateurs.

La plupart des fluides complexes sont amincissants par cisaillement, c’est-à-dire que leur viscosité diminue avec l’augmentation du taux de cisaillement, bien que certains systèmes tels que les suspensions très concentrées puissent présenter un épaississement par cisaillement, une augmentation de la viscosité à des taux de cisaillement élevés. Cela signifie que nous ne pouvons assortir avec succès la viscosité d’une formulation aux exigences de performance que si nous la mesurons dans les conditions de cisaillement appliquées lors de l’utilisation du produit.

Définir une plage de mesure

La clé ici est de fournir des résultats pertinents plutôt qu’un nombre arbitraire… Par exemple, à 20°C, la mayonnaise a une viscosité de 500 000 mPas ou cP à un taux de cisaillement de 0,1 s^-1, tandis qu’à 100 s^-1, la viscosité chute à environ 2 000 mPas, de sorte que la viscosité dépend fortement du taux de cisaillement qu’elle subit. Dans de nombreux processus, un matériau traverse une gamme de taux de cisaillement. Par exemple, lors du pompage, le matériau est d’abord aspiré dans la pompe à un cisaillement modérément faible, il subit ensuite un cisaillement élevé lorsqu’il passe la lame de la pompe, puis à nouveau un cisaillement plus faible à la sortie. Ainsi, pour simuler l’ensemble du processus de pompage, il faudrait mesurer sur une plage de taux de cisaillement assez large (par exemple, de 1 à 1 000 s^-1).

Snippet utile :

Le terme « Taux de cisaillement » décrit le débit de cisaillement qu’un échantillon subit par unité de volume, tandis que le terme « Contrainte de cisaillement » décrit la force de cisaillement qu’un échantillon subit par unité de volume.

Il est important de noter que le taux de cisaillement dépend non seulement de la vitesse du fluide mais aussi des dimensions du fluide cisaillé, de sorte que dans le cas d’un écoulement dans un tuyau, à la fois le débit et le diamètre du tuyau sont importants et cela peut être calculé [1]. Il est également utile de réfléchir à l’origine de la demande de viscosité ; est-ce simplement un paramètre de contrôle de la qualité requis ou l’information est-elle nécessaire pour résoudre un problème de processus par exemple ? Si nous envisageons un problème d’initiation de l’écoulement dans une conduite, par exemple, la viscosité à faible taux de cisaillement ou la contrainte de rupture peut être la valeur la plus pertinente à indiquer, tandis que si nous envisageons des débits constants dans des conduites étroites, un cisaillement plus élevé serait préférable d’utiliser.

Comme vous pouvez le voir dans le tableau ci-dessus, différents processus sont associés à une gamme de taux de cisaillement différents plutôt qu’à un seul taux de cisaillement, et un seul produit peut être exposé à plusieurs de ces différents processus au cours de son cycle de vie.

Bien qu’une seule valeur de viscosité puisse être suffisante dans certains cas (faite au taux de cisaillement correct), la majorité des produits nécessitent plus d’informations sur la viscosité car ils subissent une gamme de taux de cisaillement, créant ainsi le besoin de générer une courbe d’écoulement à l’équilibre. De même, la température du processus doit être prise en compte lors de la réalisation d’une mesure de viscosité, car c’est un facteur critique. À titre indicatif, les systèmes à base d’eau diminuent d’environ 2%/°C, tandis que les systèmes à base d’huile diminuent en viscosité d’environ 10%/°C d’augmentation de température, de sorte que dans ce dernier cas, un bon contrôle de la température peut être critique.

Simuler un processus de cisaillement sur un rhéomètre rotatif

En cisaillant un matériau dans une configuration géométrique de dimensions connues (par exemple, cône et plaque, plaques parallèles ou gobelet et bobine) sur un rhéomètre rotatif, il est possible de simuler directement les taux de cisaillement et les contraintes de régimes d’écoulement plus complexes, tels que ceux rencontrés dans un mélangeur ou un processus d’enduction. Cela nous donne la capacité de simuler directement des processus liés à la production, au stockage et aux conditions d’utilisation finale dans un environnement très contrôlé en utilisant de petites quantités d’échantillon, et nous permet de comparer facilement et rapidement différents produits et formulations.

De plus, si nous définissons initialement une plage de viscosité acceptable en mesurant une courbe d’écoulement pour un produit connu pour bien fonctionner, par exemple, qui a une bonne stabilité, qui se pompe de manière acceptable, etc., cela peut fournir une valeur ou une plage cible de viscosité pour les formulateurs ou les ingénieurs de procédé à atteindre. La viscosité du produit est utile à connaître dans de nombreuses parties de la formulation, de la production et de l’utilisation finale, comme illustré ci-dessous.

En utilisant un rhéomètre avec une large gamme de vitesses et de couples, tel que Kinexus, il est possible non seulement de mesurer les viscosités sur une large gamme de taux de cisaillement, mais aussi de potentiellement réaliser cela en une seule mesure, fournissant des informations sur le stockage, le traitement et l’utilisation finale simultanément !

Dans mon prochain blog, nous aborderons comment mesurer au mieux une courbe d’écoulement, notamment quelle géométrie de mesure utiliser et comment repérer et prévenir les artefacts de mesure.

1. Note d’application de Malvern Instruments – Traitement des produits non-Newtoniens : Détermination de la chute de pression pour un fluide de loi de puissance le long d’un tuyau circulaire droit

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