Rhéomètre - Rheometer
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Un rhéomètre est un appareil de laboratoire utilisé pour mesurer la manière dont un liquide, une suspension ou une boue s'écoule en réponse aux forces appliquées. Il est utilisé pour les fluides qui ne peuvent pas être définis par une seule valeur de viscosité et nécessitent donc plus de paramètres à régler et à mesurer que ce n'est le cas pour un viscosimètre . Il mesure la rhéologie du fluide.
Il existe deux types de rhéomètres distinctement différents . Les rhéomètres qui contrôlent la contrainte de cisaillement appliquée ou la déformation de cisaillement sont appelés rhéomètres de rotation ou de cisaillement , tandis que les rhéomètres qui appliquent une contrainte d' extension ou une contrainte d' extension sont des rhéomètres d'extension . Les rhéomètres de type rotatif ou de cisaillement sont généralement conçus soit comme un instrument natif contrôlé par la déformation (contrôler et appliquer une déformation de cisaillement définie par l'utilisateur qui peut ensuite mesurer la contrainte de cisaillement résultante), soit comme un instrument natif contrôlé par la contrainte (contrôler et appliquer une déformation définie par l'utilisateur). contrainte de cisaillement et mesurer la contrainte de cisaillement résultante).
Signification et origine
Le mot rhéomètre vient du grec et signifie un appareil pour mesurer le débit principal. Au 19ème siècle, il était couramment utilisé pour les appareils de mesure du courant électrique, jusqu'à ce que le mot soit supplanté par galvanomètre et ampèremètre . Il a également été utilisé pour la mesure du débit de liquides, dans la pratique médicale (débit sanguin) et dans le génie civil (débit d'eau). Cette dernière utilisation a persisté jusqu'à la seconde moitié du XXe siècle dans certaines régions. Suite à la création du terme rhéologie, le mot a été appliqué aux instruments de mesure du caractère plutôt que de la quantité de flux, et les autres significations sont obsolètes. (Source principale: Oxford English Dictionary ) Le principe et le fonctionnement des rhéomètres sont décrits dans plusieurs textes.
Types de rhéomètre de cisaillement
Géométries de cisaillement
Quatre plans de cisaillement de base peuvent être définis en fonction de leur géométrie,
- Écoulement de plaque de traînée de Couette
- Écoulement cylindrique
- Poiseuille couler dans un tube et
- Écoulement plaque-plaque
Les différents types de rhéomètres à cisaillement utilisent alors une ou une combinaison de ces géométries.
Cisaillement linéaire
Un exemple de rhéomètre à cisaillement linéaire est le rhéomètre cutané linéaire Goodyear, qui est utilisé pour tester les formulations de crèmes cosmétiques et à des fins de recherche médicale pour quantifier les propriétés élastiques des tissus. Le dispositif fonctionne en attachant une sonde linéaire à la surface du tissu sous test, une force cyclique contrôlée est appliquée et la force de cisaillement résultante mesurée à l'aide d'une cellule de pesée. Le déplacement est mesuré à l'aide d'un LVDT. Ainsi, les paramètres de base de contrainte-déformation sont capturés et analysés pour dériver la raideur dynamique du ressort du tissu testé.
Tuyau ou capillaire
Le liquide est forcé à travers un tube de section transversale constante et de dimensions précisément connues dans des conditions d' écoulement laminaire . Soit le débit, soit la perte de charge sont fixes et l'autre mesurée. Connaissant les dimensions, le débit peut être converti en une valeur pour le taux de cisaillement et la perte de charge en une valeur pour la contrainte de cisaillement . La variation de la pression ou du débit permet de déterminer une courbe de débit. Lorsqu'une quantité relativement petite de fluide est disponible pour la caractérisation rhéométrique, un rhéomètre microfluidique avec des capteurs de pression intégrés peut être utilisé pour mesurer la chute de pression pour un débit contrôlé.
Les rhéomètres capillaires sont particulièrement avantageux pour la caractérisation de solutions protéiques thérapeutiques car ils déterminent l'aptitude à être seringués. De plus, il existe une relation inverse entre la rhéométrie et la stabilité de la solution, ainsi que les interactions thermodynamiques.
Rhéomètre à cisaillement dynamique
Un rhéomètre à cisaillement dynamique , communément appelé DSR, est utilisé pour la recherche et le développement ainsi que pour le contrôle de qualité dans la fabrication d'une large gamme de matériaux. Les rhéomètres à cisaillement dynamique sont utilisés depuis 1993, lorsque Superpave a été utilisé pour caractériser et comprendre les propriétés rhéologiques à haute température des liants d'asphalte à l'état fondu et solide et est fondamental pour formuler la chimie et prédire les performances d'utilisation finale de ces matériaux.
Cylindre rotatif
Le liquide est placé dans l' anneau d'un cylindre à l'intérieur d'un autre. L'un des cylindres tourne à une vitesse définie. Cela détermine le taux de cisaillement à l'intérieur de l'anneau. Le liquide a tendance à entraîner l'autre cylindre autour, et la force qu'il exerce sur ces cylindres ( couple ) est mesurée, qui peut être convertie en une contrainte de cisaillement . Une version de ceci est le viscosimètre Fann VG, qui fonctionne à deux vitesses (300 et 600 tr / min) et ne donne donc que deux points sur la courbe de débit. Cela suffit pour définir un modèle en plastique de Bingham qui était autrefois largement utilisé dans l' industrie pétrolière pour déterminer le caractère d'écoulement des fluides de forage . Ces dernières années, des rhéomètres qui tournent à 600, 300, 200, 100, 6 et 3 tr / min ont été utilisés. Cela permet d'utiliser des modèles de fluides plus complexes tels que Herschel – Bulkley . Certains modèles permettent d'augmenter et de diminuer continuellement la vitesse de manière programmée, ce qui permet la mesure des propriétés dépendant du temps.
Cône et plaque
Le liquide est placé sur une plaque horizontale et un cône peu profond y est placé. L'angle entre la surface du cône et la plaque est d'environ 1 à 2 degrés mais peut varier en fonction des types de tests exécutés. Généralement, la plaque tourne et le couple sur le cône est mesuré. Une version bien connue de cet instrument est le rhéogoniomètre Weissenberg, dans lequel le mouvement du cône est combattu par un mince morceau de métal qui se tord - connu sous le nom de barre de torsion . La réponse connue de la barre de torsion et le degré de torsion donnent la contrainte de cisaillement , tandis que la vitesse de rotation et les dimensions du cône donnent le taux de cisaillement . En principe, le rhéogoniomètre de Weissenberg est une méthode de mesure absolue à condition qu'il soit configuré avec précision. D'autres instruments fonctionnant selon ce principe peuvent être plus faciles à utiliser mais nécessitent un étalonnage avec un fluide connu. Les rhéomètres à cône et à plaque peuvent également être utilisés en mode oscillant pour mesurer les propriétés élastiques, ou en modes rotatif et oscillant combinés.
Types de rhéomètre extensible
Le développement des rhéomètres d'extension s'est déroulé plus lentement que les rhéomètres à cisaillement, en raison des défis associés à la génération d'un flux d'extension homogène. Premièrement, les interactions du fluide d'essai ou de la masse fondue avec les interfaces solides entraîneront une composante d'écoulement de cisaillement, ce qui compromettra les résultats. Deuxièmement, l'historique des déformations de tous les éléments matériels doit être contrôlé et connu. Troisièmement, les taux de déformation et les niveaux de déformation doivent être suffisamment élevés pour étirer les chaînes polymères au-delà de leur rayon de giration normal, nécessitant une instrumentation avec une large gamme de taux de déformation et une grande distance de déplacement.
Les rhéomètres à extension disponibles dans le commerce ont été séparés en fonction de leur applicabilité aux gammes de viscosité. Matériaux dont la viscosité varie d'environ 0,01 à 1 Pa.s. (la plupart des solutions polymères) sont mieux caractérisées avec des rhéomètres à rupture capillaire, des dispositifs à jet opposé ou des systèmes à flux de contraction. Matériaux dont la viscosité varie d'environ 1 à 1000 Pa.s. sont utilisés dans les rhéomètres d'étirage de filament. Les matériaux ayant une viscosité élevée> 1000 Pa.s., tels que les polymères fondus, sont mieux caractérisés par des dispositifs à longueur constante.
La rhéométrie d'extension est couramment réalisée sur des matériaux soumis à une déformation en traction. Ce type de déformation peut se produire pendant le traitement, tel que le moulage par injection, le filage de fibres, l'extrusion, le moulage par soufflage et les flux de revêtement. Cela peut également se produire lors de l'utilisation, comme la décohésion d'adhésifs, le pompage de savons pour les mains et la manipulation de produits alimentaires liquides.
Une liste des rhéomètres d'extension disponibles dans le commerce actuellement et précédemment commercialisés est présentée dans le tableau ci-dessous.
Rhéomètres d'extension disponibles dans le commerce
| Nom de l'instrument | Gamme de viscosité [Pa.s] | Type d'écoulement | Fabricant | |
|---|---|---|---|---|
| Actuellement commercialisé | Rheotens | > 100 | Filature de fibre | Goettfert |
| CaBER | 0,01-10 | Rupture capillaire | Thermo Scientific | |
| Rhéomètre extensible Sentmanat | > 10000 | Longueur constante | Instruments Xpansion | |
| FiSER | 1 à 1 000 | Étirement du filament | Cambridge Polymer Group | |
| VADER | > 100 | Étirement contrôlé du filament | Filament Rheo | |
| Déjà commercialisé | RFX | 0,01-1 | Jet opposé | Scientifique rhéométrique |
| RME | > 10000 | Longueur constante | Scientifique rhéométrique | |
| MXR2 | > 10000 | Longueur constante | Projets Magna |
Rheotens
Rheotens est un rhéomètre de filage de fibres, adapté aux polymères fondus. Le matériau est pompé à partir d'un tube amont et un jeu de roues allonge le toron. Un capteur de force monté sur l'une des roues mesure la force d'extension résultante. En raison du pré-cisaillement induit lors du transport du fluide à travers le tube amont, une véritable viscosité d'extension est difficile à obtenir. Cependant, le Rheotens est utile pour comparer les propriétés d'écoulement d'extension d'un ensemble homologue de matériaux.
CaBER
Le CaBER est un rhéomètre à rupture capillaire . Une petite quantité de matériau est placée entre les plaques, qui sont rapidement étirées jusqu'à un niveau de déformation fixe. Le diamètre du point médian est surveillé en fonction du temps lorsque les cols de filament de fluide se désagrègent sous les forces combinées de tension superficielle, de gravité et de viscoélasticité. La viscosité extensionnelle peut être extraite des données en fonction de la déformation et de la vitesse de déformation. Ce système est utile pour les fluides à faible viscosité, les encres, les peintures, les adhésifs et les fluides biologiques.
FiSER
Le FiSER (rhéomètre extensionnel à filament stretching) est basé sur les travaux de Sridhar et al. et Anna et al. Dans cet instrument, un ensemble de moteurs linéaires entraîne un filament de fluide à une vitesse exponentiellement croissante tout en mesurant la force et le diamètre en fonction du temps et de la position. En se déformant à une vitesse exponentiellement croissante, une vitesse de déformation constante peut être obtenue dans les échantillons (à l'exception des limitations de débit de la plaque d'extrémité). Ce système peut surveiller la viscosité d'extension en fonction de la déformation, ainsi que la décroissance de la contrainte après l'arrêt de l'écoulement. Une présentation détaillée des différentes utilisations de la rhéométrie d'étirage de filament peut être trouvée sur le site Web du MIT.
Sentmanat
Le rhéomètre extensible Sentmanat (SER) est en fait un appareil qui peut être installé sur site sur des rhéomètres à cisaillement. Un film de polymère est enroulé sur deux tambours rotatifs, qui appliquent une déformation d'extension à vitesse de déformation constante ou variable sur le film de polymère. La contrainte est déterminée à partir du couple exercé par les tambours.
Autres types de rhéomètres d'extension
Rhéomètre acoustique
Les rhéomètres acoustiques utilisent un cristal piézo-électrique qui peut facilement lancer une vague successive d'extensions et de contractions dans le fluide. Cette méthode sans contact applique une contrainte d'extension oscillante. Les rhéomètres acoustiques mesurent la vitesse du son et l'atténuation des ultrasons pour un ensemble de fréquences de l'ordre du mégahertz. La vitesse du son est une mesure de l'élasticité du système. Il peut être converti en compressibilité du fluide. L'atténuation est une mesure des propriétés visqueuses. Il peut être converti en module longitudinal visqueux. Dans le cas d'un liquide newtonien, l'atténuation donne des informations sur la viscosité volumique. Ce type de rhéomètre fonctionne à des fréquences beaucoup plus élevées que les autres. Il convient à l'étude des effets avec des temps de relaxation beaucoup plus courts que tout autre rhéomètre.
Assiette qui tombe
Une version plus simple du rhéomètre d'étirage de filament, le rhéomètre à plaque tombante prend en sandwich le liquide entre deux surfaces solides. La plaque supérieure est fixe et la plaque inférieure tombe sous l'influence de la gravité, entraînant une chaîne de liquide.
Flux capillaire / de contraction
D'autres systèmes impliquent un liquide traversant un orifice, se dilatant à partir d'un capillaire ou aspiré d'une surface dans une colonne par un vide. Un rhéomètre capillaire pressurisé peut être utilisé pour concevoir des traitements thermiques d'aliments fluides. Cette instrumentation pourrait aider à éviter le sur et sous-traitement des aliments liquides car une extrapolation à des températures élevées ne serait pas nécessaire.
Voir également
Les références
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- ^ Ferry, JD (1980). Propriétés viscoélastiques des polymères . Wiley. ISBN 0-471-04894-1.
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- ^ Springer Handbook of Experimental Fluid Mechanics, Tropea, Foss, Yarin (eds), Chapitre 9.1 (2007)
- ^ Sridhar, J. Non-Newtonian Fluid Mech., Vol 40, 271-280 (1991); Anna, J. Non-Newtonian Fluid Mech., Vol 87, 307–335 (1999)
- ^ McKinley, G. "Une décennie de rhéométrie d'étirement de filament" . web.mit.edu .
- ^ Ros-Polski, Valquíria (5 mars 2014). "Analyse rhéologique de solution de saccharose à hautes températures en utilisant un rhéomètre capillaire pressurisé chauffé par micro-ondes". Science alimentaire . 79 (4): E540 – E545. doi : 10.1111 / 1750-3841.12398 . PMID 24597707 .
- K. Walters (1975) Rhéométrie (Chapman & Hall) ISBN 0-412-12090-9
- ASDukhin et PJGoetz "Ultrasons pour caractériser les colloïdes", Elsevier, (2002)