Qu'est-ce que la viscosité ?

La viscosité est un paramètre principal lors de toute mesure de débit de fluides, tels que les liquides, les semi-solides, les gaz et même les solides. Brookfield traite des liquides et des semi-solides. Les mesures de viscosité sont effectuées conjointement avec la qualité et l'efficacité du produit. Toute personne impliquée dans la caractérisation de l'écoulement, dans la recherche ou le développement, le contrôle qualité ou le transfert de fluides, à un moment ou à un autre, s'implique dans un certain type de mesure de viscosité.

De nombreux fabricants considèrent désormais les viscosimètres comme un élément crucial de leurs programmes de recherche, de développement et de contrôle de processus. Ils savent que les mesures de viscosité sont souvent le moyen le plus rapide, le plus précis et le plus fiable d'analyser certains des facteurs les plus importants affectant les performances du produit.

Les relations rhéologiques nous aident à comprendre les fluides avec lesquels nous travaillons afin que nous puissions soit savoir comment ils se comportent, soit les forcer à se comporter selon nos besoins.

Il existe de nombreuses techniques différentes pour mesurer la viscosité, chacune adaptée à des circonstances et à des matériaux spécifiques. La sélection du bon viscosimètre parmi les dizaines d'instruments disponibles pour répondre aux besoins de n'importe quelle application est une proposition difficile. Les instruments d'aujourd'hui varient du plus simple au plus complexe : du comptage des secondes pour qu'un liquide s'écoule d'un bâton à un équipement d'enregistrement et de contrôle automatique très sophistiqué. Cela place l'utilisateur de l'instrument dans une position dans laquelle sa propre appréciation des phénomènes d'écoulement impliqués, couplée au "savoir-faire et à l'expérience" du fabricant de l'instrument, doit être mise à contribution.

Brookfield a été un pionnier dans le développement d'instruments pour la mesure de la viscosité et le traitement des données et un stimulant pour le développement de la science. Nous avons le « savoir-faire et l'expérience » requis pour être votre partenaire dans la sélection de l'instrumentation appropriée pour contrôler votre processus.

POURQUOI FAIRE DES MESURES RHÉOLOGIQUES ?

Quiconque commence le processus d'apprentissage de la pensée rhéo-logique doit d'abord se poser la question : « Pourquoi devrais-je effectuer une mesure de viscosité ? » La réponse réside dans les expériences de milliers de personnes qui ont effectué de telles mesures, montrant qu'il est possible d'obtenir de nombreuses informations comportementales et prédictives utiles pour divers produits, ainsi que la connaissance des effets du traitement, des changements de formulation, des phénomènes de vieillissement, etc.

Une raison fréquente pour la mesure des propriétés rhéologiques peut être trouvée dans le domaine du contrôle qualité, où les matières premières doivent être cohérentes d'un lot à l'autre. À cette fin, le comportement d'écoulement est une mesure indirecte de la cohérence et de la qualité du produit.

Une autre raison de faire des études de comportement d'écoulement est qu'une évaluation directe de l'aptitude au traitement peut être obtenue. Par exemple, un liquide à haute viscosité nécessite plus de puissance pour pomper qu'un liquide à faible viscosité. Connaître son comportement rhéologique est donc utile lors de la conception de systèmes de pompage et de tuyauterie.

Il a été suggéré que la rhéologie est la méthode la plus sensible pour la caractérisation des matériaux car le comportement de l'écoulement est sensible à des propriétés telles que le poids moléculaire et la distribution du poids moléculaire. Cette relation est utile dans la synthèse de polymères, par exemple, car elle permet de voir des différences relatives sans effectuer de mesures de poids moléculaire. Les mesures rhéologiques sont également utiles pour suivre le déroulement d'une réaction chimique. De telles mesures peuvent être utilisées comme contrôle de qualité pendant la production ou pour surveiller et/ou contrôler un processus. Les mesures rhéologiques permettent d'étudier les traitements chimiques, mécaniques et thermiques, les effets des additifs ou le déroulement d'une réaction de durcissement. Ils sont également un moyen de prédire et de contrôler une multitude de propriétés du produit, les performances d'utilisation finale et le comportement des matériaux.

PENSER RHÉOLOGIQUEMENT

Pour commencer, considérons la question : « Un paramètre rhéologique peut-il être utilisé pour établir une corrélation avec un aspect du produit ou du processus ? Pour déterminer cela, un instinct doit être développé pour les types de phénomènes chimiques et physiques qui affectent la réponse rhéologique. Pour le moment, supposons que cette information soit connue et que plusieurs possibilités aient été identifiées. L'étape suivante consiste à rassembler des données rhéologiques préliminaires pour déterminer quel type de comportement d'écoulement est caractéristique du système considéré. Au niveau le plus élémentaire, cela implique d'effectuer des mesures avec n'importe quel viscosimètre Brookfield disponible et de tirer des conclusions sur la base des descriptions du comportement de l'écoulement qui suivent.

Une fois le type de comportement d'écoulement identifié, on peut mieux comprendre la manière dont les composants du système interagissent. Les données ainsi obtenues peuvent ensuite être ajustées à l'un des modèles mathématiques qui ont été utilisés avec succès avec les instruments Brookfield.

Ces modèles mathématiques vont du très simple au très complexe. Certains d'entre eux impliquent simplement le tracé de données sur du papier millimétré; d'autres nécessitent de calculer le rapport de deux nombres. Certains sont assez sophistiqués et nécessitent l'utilisation de calculatrices ou d'ordinateurs programmables. Ce type d'analyse est le meilleur moyen de tirer le meilleur parti de nos données et aboutit souvent à l'une des deux constantes qui résument les données et peuvent être liées aux performances du produit ou du processus.

Une fois qu'une corrélation a été établie entre les données rhéologiques et le comportement du produit, la procédure peut alors être inversée et les données rhéologiques peuvent être utilisées pour prédire les performances et le comportement.

Aux prises avec RHÉOLOGIE

Rhéologie est défini par le dictionnaire comme « l'étude du changement de forme et l'écoulement de la matière, embrassant l' élasticité, la viscosité et la plasticité.

Nous nous intéressons dans ce chapitre avec une viscosité, en outre défini comme

le frottement interne d'un fluide, causé par l'attraction moléculaire, qui le fait résister à une tendance à l'écoulement. Votre viscosimètre Brookfield mesure cette friction et fonctionne donc comme un outil de rhéologie. Le but de ce chapitre est de vous familiariser avec les différents types de comportement d'écoulement et l'utilisation du viscosimètre Brookfield comme instrument rhéologique pour vous permettre d'effectuer une analyse détaillée de pratiquement n'importe quel fluide. Ces informations sont utiles à tous les utilisateurs de viscosimètres, en particulier ceux qui adhèrent aux écoles de pensée théorique et académique sur la mesure de la viscosité.

VISCOSITÉ

La viscosité est la mesure de la friction interne d'un fluide. Ce frottement devient apparent lorsqu'une couche de fluide est amenée à se déplacer par rapport à une autre couche. Plus le frottement est important, plus la force requise pour provoquer ce mouvement, appelé cisaillement, est importante. Le cisaillement se produit chaque fois que le fluide est physiquement déplacé ou distribué, comme lors du versement, de l'épandage, de la pulvérisation, du mélange, etc. Les fluides très visqueux nécessitent donc plus de force pour se déplacer que les matériaux moins visqueux.

Isaac Newton a défini la viscosité en considérant le modèle représenté dans la figure ci-dessus. Deux plans parallèles de fluide de même surface A sont séparés par une distance dx et se déplacent dans la même direction à des vitesses différentes V1 et V2. Newton a supposé que la force requise pour maintenir cette différence de vitesse était proportionnelle à la différence de vitesse à travers le liquide, ou le gradient de vitesse. Pour exprimer cela, Newton a écrit :

Le gradient de vitesse, dv/dx , est une mesure du changement de vitesse à laquelle les couches intermédiaires se déplacent les unes par rapport aux autres. Il décrit le cisaillement que subit le liquide et est donc appelé taux de cisaillement. Cela sera symbolisé par S dans les discussions ultérieures. Son unité de mesure s'appelle la seconde réciproque (sec-1).

Le terme F/A indique la force par unité de surface requise pour produire l'action de cisaillement. Elle est appelée contrainte de cisaillement et sera symbolisée par F′. Son unité de mesure est le dynes par centimètre carré (dynes/cm2).

En utilisant ces termes simplifiés, la viscosité peut être définie mathématiquement par cette formule : 

L'unité fondamentale de mesure de la viscosité est le poise. Un matériau nécessitant une contrainte de cisaillement d'une dyne par centimètre carré pour produire un taux de cisaillement d'une seconde réciproque a une viscosité d'une poise, ou 100 centipoises. Vous rencontrerez des mesures de viscosité exprimées en Pascal-secondes (Pa·s) ou milli-Pascal-secondes (mPa·s) ; ce sont des unités du système international et sont parfois utilisées de préférence aux désignations métriques. Un pascal-seconde est égal à dix poises ; une milli-Pascal-seconde est égale à un centipoise.

FLUIDES NEWTONIENS

Ce type de comportement d'écoulement que Newton suppose pour tous les fluides est appelé, sans surprise, newtonien. Il ne s'agit cependant que d'un des nombreux types de comportement de flux que vous pouvez rencontrer. Un fluide newtonien est représenté graphiquement dans la figure ci-dessous. Le graphique A montre que la relation entre la contrainte de cisaillement (F′) et le taux de cisaillement (S) est une ligne droite. Le graphique B montre que la viscosité du fluide reste constante lorsque le taux de cisaillement varie. Les fluides newtoniens typiques comprennent l'eau et les huiles moteur fluides.

Newton a supposé que tous les matériaux ont, à une température donnée, une viscosité indépendante du taux de cisaillement. En d'autres termes, deux fois la force déplacerait le fluide deux fois plus vite. Comme nous le verrons, Newton n'avait qu'en partie raison.

Cela signifie en pratique qu'à une température donnée, la viscosité d'un fluide newtonien restera constante quel que soit le modèle de viscosimètre, la broche ou la vitesse que vous utilisez pour le mesurer. Les normes de viscosité Brookfield sont newtoniennes dans la plage des taux de cisaillement générés par l'équipement Brookfield; c'est pourquoi ils sont utilisables avec tous nos modèles de viscosimètre. Les newtoniens sont évidemment les fluides les plus faciles à mesurer - prenez simplement votre viscosimètre et allez-y. Ils ne sont malheureusement pas aussi communs que ce groupe de fluides beaucoup plus complexe, les non-newtoniens, dont nous parlerons dans la section suivante.

FLUIDES NON NEWTONIENS

Un fluide non newtonien est défini au sens large comme un fluide pour lequel la relation F′/S n'est pas une constante. En d'autres termes, lorsque le taux de cisaillement est varié, la contrainte de cisaillement ne varie pas dans la même proportion (ou même nécessairement dans le même sens). La viscosité de tels fluides changera donc à mesure que le taux de cisaillement varie. Ainsi, les paramètres expérimentaux du modèle de viscosimètre, de la broche et de la vitesse ont tous un effet sur la viscosité mesurée d'un fluide non newtonien. Cette viscosité mesurée est appelée viscosité apparente du fluide et n'est précise que lorsque des paramètres expérimentaux explicites sont fournis et respectés.

Un écoulement non newtonien peut être envisagé en considérant tout fluide comme un mélange de molécules de formes et de tailles différentes. Lorsqu'ils se croisent, comme cela se produit pendant l'écoulement, leur taille, leur forme et leur cohésion détermineront la force nécessaire pour les déplacer. A chaque taux de cisaillement spécifique, l'alignement peut être différent et plus ou moins de force peut être nécessaire pour maintenir le mouvement.

Il existe plusieurs types de comportement d'écoulement non newtonien, caractérisés par la façon dont la viscosité d'un fluide change en réponse aux variations du taux de cisaillement. Les types les plus courants de fluides non newtoniens vous pouvez rencontrer les suivants:

Pseudoplastic

Ce type de fluide affichera une viscosité décroissante avec un taux de cisaillement croissant, comme le montre la figure ci-dessous. Probablement le plus courant des fluides non newtoniens, les pseudo-plastiques comprennent les peintures, les émulsions et les dispersions de nombreux types. Ce type de comportement d'écoulement est parfois appelé amincissement par cisaillement.

Dilatant

Une viscosité croissante avec une augmentation du taux de cisaillement caractérise le fluide dilatant ; voir la figure ci-dessous. Bien que plus rare que la pseudoplasticité, la dilatance est fréquemment observée dans les fluides contenant des niveaux élevés de solides défloculés, tels que les boues d'argile, les composés de bonbons, l'amidon de maïs dans l'eau et les mélanges sable/eau. La dilatation est également appelée comportement d'écoulement épaississant par cisaillement.

Plastique

Ce type de fluide se comportera comme un solide dans des conditions statiques. Une certaine force doit être appliquée au fluide avant qu'un écoulement ne soit induit ; cette force est appelée la valeur d'élasticité. Le ketchup à la tomate est un bon exemple de ce type de fluide ; sa valeur de rendement le fera souvent refuser de verser de la bouteille jusqu'à ce que la bouteille soit secouée ou frappée, permettant au ketchup de jaillir librement. Une fois que la limite d'écoulement est dépassée et que l'écoulement commence, les fluides plastiques peuvent présenter des caractéristiques d'écoulement newtoniennes, pseudoplastiques ou dilatantes. Voir la figure ci-dessous.

Jusqu'à présent, nous n'avons discuté que de l'effet du taux de cisaillement sur les fluides non newtoniens. Que se passe-t-il lorsque l'élément temps est pris en compte ? Cette question nous amène à examiner deux autres types d'écoulements non newtoniens : thixotrope et rhéopectique.

THIXOTROPIE ET ​​RHÉOPEXIE 

Certains fluides présentent un changement de viscosité avec le temps dans des conditions de taux de cisaillement constant. Il y a deux catégories à considérer :

Thixotropie

Comme le montre la figure ci-dessous, un fluide thixotrope subit une diminution de viscosité avec le temps, alors qu'il est soumis à un cisaillement constant.

Rhéopexie

C'est essentiellement le contraire du comportement thixotrope, en ce sens que la viscosité du fluide augmente avec le temps car il est cisaillé à une vitesse constante. Voir la figure ci-dessous.

La thixotropie et la rhéopexie peuvent se produire en combinaison avec l'un des comportements d'écoulement discutés précédemment, ou seulement à certains taux de cisaillement. L'élément temps est extrêmement variable ; dans des conditions de cisaillement constant, certains fluides atteindront leur valeur de viscosité finale en quelques secondes, tandis que d'autres peuvent prendre jusqu'à plusieurs jours.

Les fluides rhéopectiques sont rarement rencontrés. Cependant, la thixotropie est fréquemment observée dans des matériaux tels que les graisses, les encres d'imprimerie lourdes et les peintures.

Lorsqu'il est soumis à des taux de cisaillement variables, un fluide thixotrope réagira comme illustré dans la figure ci-dessous. Un tracé de la contrainte de cisaillement en fonction du taux de cisaillement a été réalisé lorsque le taux de cisaillement a été augmenté jusqu'à une certaine valeur, puis immédiatement diminué jusqu'au point de départ. Notez que les courbes haut et bas ne coïncident pas. Cette boucle d'hystérésis est causée par la diminution de la viscosité du fluide avec l'augmentation du temps de cisaillement. De tels effets peuvent être réversibles ou non ; certains fluides thixotropes, s'ils sont laissés au repos pendant un certain temps, retrouveront leur viscosité initiale, tandis que d'autres ne le seront jamais.

Le comportement rhéologique d'un fluide peut, bien entendu, avoir un effet profond sur la technique de mesure de la viscosité. Plus tard, nous discuterons de certains de ces effets et des moyens de les gérer.

ÉCOULEMENT LAMINAIRE ET TURBULENT

La définition même de la viscosité implique l'existence de ce qu'on appelle l'écoulement laminaire : le mouvement d'une couche de fluide devant une autre sans transfert de matière de l'une à l'autre. La viscosité est le frottement entre ces couches.

En fonction d'un certain nombre de facteurs, il existe une certaine vitesse maximale à laquelle une couche de fluide peut se déplacer par rapport à une autre, au-delà de laquelle un véritable transfert de masse se produit. C'est ce qu'on appelle des turbulences. Des molécules ou des particules plus grosses sautent d'une couche à l'autre et dissipent une quantité substantielle d'énergie au cours du processus. Le résultat net est qu'un apport d'énergie plus important est nécessaire pour maintenir cet écoulement turbulent qu'un écoulement laminaire à la même vitesse.

L'apport d'énergie accru se manifeste par une contrainte de cisaillement apparemment plus grande que celle qui serait observée dans des conditions d'écoulement laminaire au même taux de cisaillement. Il en résulte une lecture de viscosité élevée par erreur.

Le point auquel l'écoulement laminaire évolue en écoulement turbulent dépend d'autres facteurs que la vitesse à laquelle les couches se déplacent. La viscosité et la densité d'un matériau ainsi que la géométrie de l'axe du viscosimètre et du conteneur d'échantillon influencent tous le point auquel cette transition se produit.

Il faut prendre soin de faire la distinction entre les conditions d'écoulement turbulent et le comportement d'écoulement dilatant. En général, les matériaux dilatants présenteront une viscosité en constante augmentation avec l'augmentation du taux de cisaillement ; l'écoulement turbulent est caractérisé par une augmentation relativement soudaine et substantielle de la viscosité au-dessus d'un certain taux de cisaillement. Le comportement d'écoulement du matériau peut être newtonien ou non newtonien en dessous de ce point.

En raison des taux de cisaillement relativement faibles auxquels la plupart des viscosimètres Brookfield fonctionnent, il est peu probable que vous rencontriez un écoulement turbulent à moins que vous ne mesuriez des viscosités inférieures à 15 cP avec un viscosimètre de la série LV ou à 85 cP avec d'autres modèles. Plus la viscosité d'un fluide est élevée, moins il est susceptible de subir des turbulences. Si des turbulences sont observées lors de la mesure de fluides à faible viscosité, elles peuvent souvent être éliminées en utilisant l'accessoire UL Adapter™.

QU'EST-CE QUI AFFECTE LA PROPRIÉTÉ RHÉOLOGIQUE ?

Les données de viscosité fonctionnent souvent comme une "fenêtre" à travers laquelle d'autres caractéristiques d'un matériau peuvent être observées. La viscosité est plus facilement mesurée que certaines des propriétés qui l'affectent, ce qui en fait un outil précieux pour la caractérisation des matériaux. Plus tôt dans ce chapitre, nous avons discuté de divers types de comportement rhéologique et de la façon de les identifier. Après avoir identifié un comportement rhéologique particulier dans un matériau, vous pouvez vous demander ce que cette information implique sur ses autres caractéristiques. Cette section, basée sur des informations glanées au cours d'années d'expérience client, est conçue comme un « tickler » pour vous faire réfléchir aux mystères que votre viscosimètre peut vous aider à résoudre.

Température

L'un des facteurs les plus évidents pouvant avoir un effet sur le comportement rhéologique d'un matériau est la température. Certains matériaux sont assez sensibles à la température, et une variation relativement faible entraînera un changement significatif de la viscosité. D'autres sont relativement insensibles. La prise en compte de l'effet de la température sur la viscosité est essentielle dans l'évaluation des matériaux qui seront soumis à des variations de température lors de l'utilisation ou du traitement, tels que les huiles moteur, les graisses et les adhésifs thermofusibles.

Taux de cisaillement

Les fluides non newtoniens ont tendance à être la règle plutôt que l'exception dans le monde réel, ce qui rend une appréciation des effets du taux de cisaillement une nécessité pour toute personne engagée dans l'application pratique des données rhéologiques. Il serait, par exemple, désastreux d'essayer de pomper un fluide dilatant à travers un système, pour qu'il se solidifie à l'intérieur de la pompe, ce qui interromprait brusquement tout le processus. Bien qu'il s'agisse d'un exemple extrême, l'importance des effets du taux de cisaillement ne doit pas être sous-estimée.

Lorsqu'un matériau doit être soumis à divers taux de cisaillement lors du traitement ou de l'utilisation, il est essentiel de connaître sa viscosité aux taux de cisaillement projetés. Si ceux-ci ne sont pas connus, une estimation doit être faite. Les mesures de viscosité doivent alors être effectuées à des taux de cisaillement aussi proches que possible des valeurs estimées.

Il est souvent impossible d'approcher les valeurs de taux de cisaillement projetées pendant la mesure en raison de ces valeurs tombant en dehors de la plage de taux de cisaillement du viscosimètre. Dans ce cas, il est nécessaire d'effectuer des mesures à plusieurs taux de cisaillement et d'extrapoler les données aux valeurs projetées. Ce n'est pas la méthode la plus précise pour acquérir ces informations, mais c'est souvent la seule alternative disponible, surtout lorsque les taux de cisaillement projetés sont très élevés. En effet, il est toujours conseillé d'effectuer des mesures de viscosité à plusieurs taux de cisaillement pour détecter un comportement rhéologique pouvant avoir un effet sur le traitement ou l'utilisation. Lorsque les valeurs de taux de cisaillement sont inconnues ou non importantes, un échantillon de la viscosité en fonction du régime par minute suffira souvent.

Des exemples de matériaux soumis et affectés par de grandes variations de taux de cisaillement pendant le traitement et l'utilisation sont : les peintures, les cosmétiques, le latex liquide, les revêtements, certains produits alimentaires et le sang dans le système circulatoire humain. Le tableau suivant montre des exemples typiques de taux de cisaillement variables.