Pourquoi faire des mesures de rhéologie ?

Toute personne commençant à apprendre à penser rhéo-logiquement doit se poser en premier lieu la question suivante : Pourquoi faire des mesures de viscosité ?

La réponse à cette question se trouve dans l’expérience de milliers de personnes qui ont fait de telles mesures, montrant combien peut être utile la connaissance préalable du comportement des matériaux, ou des effets produits par des changements de procédés de fabrication, modifications de formulation, phénomènes de vieillissement, etc. Le domaine qui justifie le plus fréquemment les mesures de propriétés rhéologiques est le secteur du contrôle qualité, où les matières premières doivent être identiques lot après lot. Typiquement, le comportement à l’écoulement est une mesure indirecte de la qualité et de la conformité d’un produit. Une autre raison justifiant les études de comportement à l’écoulement est qu’elles permettent de justifier la faisabilité des procédés de production. Par exemple, un liquide fortement visqueux demandera plus d’énergie pour être pompé qu’un produit moins visqueux. La connaissance des propriétés rhéologiques est ainsi utile pour définir les systèmes de pompage et de tuyauteries. Il a été montré que la rhéologie est la méthode la plus sensible pour caractériser les matériaux car le comportement à l’écoulement est très directement lié à des propriétés physiques telles que masse moléculaire et distribution de masse moléculaire. Ces relations sont utiles par exemple pour les synthèses moléculaires car elles permettent des différences relatives visibles sans être obligé de réaliser des mesures de masse moléculaire. Les mesures rhéologiques sont aussi utiles pour suivre le déroulement d’une réaction chimique. De telles mesures peuvent être réalisées comme un test qualité en cours de production ou pour tracer, baliser et maîtriser le déroulement du process. Les mesures rhéologiques permettent d’étudier les traitements chimiques, mécaniques, thermiques, l’influence des additifs, ou de suivre l’évolution d’une réaction de cuisson. Elles sont aussi le moyen de prédire ou de contrôler une quantité de propriétés des matériaux, ses comportements et performances en situation d’utilisation finale.

Pensez rhéo-logiquement

Pour commencer, considérez la question : Est-il possible de corréler une donnée rhéologique avec un paramètre du procédé de production ou un aspect du comportement du produit ?

Pour déterminer cela, il vous faut développer un certain « instinct » afin de comprendre les phénomènes physiques et chimiques qui affectent la réponse rhéologique. Pour le moment, considérons que cette information est connue et que plusieurs possibilités ont été identifiées. L’étape suivante consiste à collecter des données rhéologiques préliminaires afin de déterminer quel type de comportement à l’écoulement est caractéristique du phénomène étudié. Au niveau le plus basique, ceci implique de réaliser des mesures avec n’importe quel viscosimètre Brookfield disponible et de tracer quelques conclusions basées sur la description des différents types de comportement rhéologiques décrits au chapitre 4. Une fois que le type de comportement à l’écoulement a été identifié, il est possible de mieux comprendre la manière dont les composants du système interagissent (plus d’informations sur ce qui affecte les propriétés rhéologiques peuvent être trouvées dans la section 4.7). Les données ainsi obtenues peuvent ensuite être comparées à l’un des modèles mathématiques qui ont été utilisés avec succès avec les appareils Brookfield. La plupart de ces modèles sont présentés au Chapitre 5. Ces modèles mathématiques sont classés du plus simple au plus complexe. Certains impliquent simplement le tracé de courbes sur papier graphique, d’autres impliquent le calcul d’un rapport entre deux nombres. Certains sont assez sophistiqués et nécessitent l’utilisation d’une calculatrice programmable ou d’un ordinateur. Ces types d’analyse sont les meilleurs moyens d’obtenir le maximum d’informations de vos mesures et il résulte souvent de ces analyses une ou deux « constantes » qui résument les mesures et peuvent être utilisées pour quantifier les performances du produit ou du process. Dès qu’une corrélation est trouvée entre les données rhéologiques et le comportement du produit, la procédure pourra être inversée et les données rhéologiques pourront être utilisées afin de prédire les performances et le comportement du produit.

Trois écoles de pensée concernant les mesures de viscosité

D’après notre expérience, il existe trois écoles de pensée concernant l’utilisation de viscosimètres dans des applications de rhéologie. Nous les présentons ici et vous invitons à choisir celle qui vous correspond, en gardant à l’esprit qu’aucune des trois n’est la meilleure et que chacune présente ses avantages propres.

L’école pragmatique

La première école de pensée est la plus pratique. Les personnes qui adhérent à cette école s’intéressent uniquement au fait que le viscosimètre Brookfield génère des chiffres qui donne des informations utiles sur le produit ou le process. Ces personnes n’ont que peu de considération pour les théories rhéologiques et les paramètres de mesures exprimés en absolues. Les applications de contrôle qualité ou de contrôle de production sont des applications typiques de cette catégorie.

L’école théorique

La deuxième école de pensée implique une approche plus théorique. Ceux qui adhérent à cette école savent que certains modèles de viscosimètres Brookfield ne vont pas produire directement des mesures de viscosité absolue à des taux de cisaillement définis pour les produits non newtoniens. Cependant, ils considèrent qu’ils est possible de trouver des corrélations entre les viscosités apparentes (chiffre indiqué par le cadran du viscosimètre) et d’importants paramètres concernant leur production ou leur process. La plupart des utilisateurs suivent cette école de pensée. Les documentations de rhéologie applicative fourmillent de remarques du genre « Je sais que les données ne sont pas absolument et formellement définies, mais en gardant cette donnée à l’esprit, je traite les informations de rhéologie telles qu’elles sont mesurées». Dans la plupart des cas, cela produit des résultats éminemment satisfaisants et supprime la nécessité d’acheter un appareillage de rhéologie hautement sophistiqué et excessivement onéreux.

L’école académique

La troisième école de pensée est plutôt académique par nature. Les partisans de cette école imposent que tous les paramètres de mesure, particulièrement le taux et la tension de cisaillement, soient connus et bien définis. Ils ont besoin d’équipements à géométries bien définies telles que géométrie cône/plan ou géométrie coaxiale. Les équipements de la gamme Brookfield répondant à ces critères sont les viscosimètres cône/plan Wells- Brookfield, les viscosimètres CAP, les adaptateurs ULA, SSA, DIN, spiral SAA, système thermosel, les rhéomètres R/S, R/S-CPS et PVS. Avec ces équipements, le taux de cisaillement est défini et des mesures précises de viscosité absolue sont ainsi directement obtenues. Voici donc notre vision des trois écoles de pensée concernant les mesures de viscosité. Vous devrez penser dans des termes correspondant à l’une ou l’autre de ces écoles en fonction de vos connaissances, approches, buts et en fonction du matériel en votre possession. Les utilisateurs de viscosimètres Brookfield appartiennent tous à l’une de ces 3 catégories.