Mesure de viscosité

Qu’est ce que la viscosité d’un fluide ?

Définition : la viscosité est une grandeur physique qui caractérise la résistance d’un fluide au mouvement par écoulement. Un produit visqueux comme le miel par exemple présente une valeur de viscosité plus grande que celle d’un échantillon plus fluide comme l’eau. 

Quelles sont les grandeurs de viscosité et leurs unités ?

Au laboratoire, plusieurs viscosités peuvent être déterminées. La viscosité mesurée est généralement la viscosité dynamique. Elle est notée η et son unité est le Pa.s dans le système international. Néanmoins, elle est aussi souvent exprimée en mPa.s pour les liquides les plus fluides. D’autres unités existent comme la poise (0.1 Pa.s) ou le poiseuille (1 Pa.s), mais elles sont moins utilisées.

La viscosité cinématique est une autre viscosité souvent rencontrée . Elle est notée ν et son unité dans le système international est le m².s. Elle peut également s’exprimer dans une ancienne unité : le Stokes ( 1 St = 10⁻⁴ m²/s). Les viscosités dynamique et cinématique d’un produit sont reliées à sa masse volumique ρ selon l’équation suivante :

η = ν . ρ

D’autres grandeurs physiques proches sont parfois utilisées, comme la fluidité, qui n’est autre que l’inverse de la viscosité dynamique.

Chez Calnesis, les mesures proposées sont souvent des mesures de viscosité dynamique. La viscosité cinématique peut être fournie lors de prestations intégrant une mesure de masse volumique. Certains appareils peuvent d’ailleurs la mesurer en même temps que la viscosité !

Jean-Claude Neyt, Directeur et Responsable Laboratoire, Calnesis

Lien entre gradient de cisaillement et viscosité : cas particulier des fluides newtoniens

La viscosité de la majorité des fluides dépend de plusieurs paramètres. Le premier est bien entendu la température : la viscosité des liquides a tendance à diminuer lorsque la température augmente. A l’inverse, celle des gaz augmente avec la température.

La viscosité d’un échantillon varie également avec la force de cisaillement qui lui est appliquée et qui a pour effet de le déformer. Les fluides dits rhéo-fluidifiants voient leur viscosité diminuer lorsque le taux ou gradient de cisaillement augmente. A l’inverse, les fluides ayant un comportement rhéo-épaississants présentent une viscosité plus élevée à fort taux de cisaillement. 

Les fluides newtoniens sont des fluides dont la viscosité ne varie pas quel que soit le gradient de cisaillement mise en œuvre. Ceci a l’air commun car l’eau et de nombreuses huiles ont cette propriété. Cependant, cela ne concerne pas la majorité des fluides : la majorité des mélanges liquides même à base d’eau et pouvant contenir des particules ont une viscosité qui dépend de la contrainte de cisaillement appliquée et ne sont donc pas newtonien.

La viscosité d’un fluide peux varier de plusieurs ordres de grandeur lorsque le cisaillement varie

Florian Rodrigues, Chargé d’affaires R&D, Calnesis

Pourquoi déterminer la viscosité d’un fluide ?

La viscosité est un paramètre très important pour de nombreuses applications. Elle permet notamment de dimensionner les tuyaux et tubes dans lesquels des fluides doivent s’écouler avec ou sans système de pompage. Elle permet également d’évaluer la pression qu’une pompe va devoir fournir via son moteur pour faire s’écouler facilement un fluide à vitesse ou débit constant : ce sont les pertes de charge. La viscosité permet également d’estimer le temps en secondes qu’il faudra pour qu’un fluide s’écoule d’un récipient à force constante, sous l’effet unique de la gravité par exemple. Enfin, la viscosité est un paramètre souvent utilisé dans le domaine du contrôle qualité de produits finis. Elle permet de valider leur conformité en lien avec une application visée.

Comment mesurer la viscosité, avec quel appareil la déterminer ?

Au laboratoire, l’instrument qui permet de déterminer la viscosité d’un fluide est nommé viscosimètre. Il existe de nombreux types de viscosimètres qui ont été développés au fil du temps. Voici quelques exemples de viscosimètres utilisés en laboratoire et une brève explication de leur fonctionnement :

Viscosimètre à écoulement libre

Un viscosimètre à écoulement libre est probablement la technique la plus simple pour évaluer la viscosité. La méthode consiste à mesurer le temps en secondes nécessaire pour qu’un récipient percé se vide sous l’effet constant de la gravité. Le récipient utilisé est souvent nommé coupe et ressemble à un entonnoir calibré.

Viscosimètre à chute de bille (ou bille roulante)

Les viscosimètres à chute de bille mesurent le temps de chute d’une bille dans le fluide pour déterminer sa viscosité. Le fluide à analyser est placé dans un capillaire normé, dans lequel une bille en acier est également introduite. Le capillaire est alors inséré dans le viscosimètre et l’appareil en régule la température. Il va ensuite l’incliner selon différents angles et calculer des durées de parcours de la bille grâce à une détection qui, dans la plupart des cas, est magnétique. La viscosité dynamique du fluide est enfin calculée à partir de valeurs de masses volumiques données ou mesurées en parallèle. Ce type de mesure est réalisé à cisaillement constant mais faible : ainsi, seule l’étude des fluides newtoniens est pertinente avec cette méthode. La mise en œuvre de ce type de mesures est assez délicate et demande de connaître la gamme de viscosité d’intérêt afin de choisir le bon capillaire et la bonne bille.

Viscosimètre rotationnel 

Les viscosimètres rotationnels sont probablement les appareils les plus simples. Ils utilisent un moteur qui entraîne la rotation d’un mobile plongé dans le fluide à analyser par l’intermédiaire d’une tige ou d’un ressort. Néanmoins, ce type d’appareil est à éviter au maximum en dehors de prestations comparatives entre des échantillons semblables. En effet, les résultats obtenus son souvent « conditions/appareil dépendant » et leur reproductibilité est assez pauvre.

D’autres viscosimètres comme les viscosimètres Stabinger sont des viscosimètres rotationnels beaucoup plus fiables. Dans ces derniers, un tube contenant l’échantillon est mis en rotation à grande vitesse. Ce tube contient également un barreau aimanté qui baigne dans l’échantillon lorsque ce dernier est injecté dans l’appareil. La rotation du tube entraîne celle du fluide, qui entraîne alors celle du barreau. Un système électronique permet de calculer la vitesse de rotation de ce dernier, qui varie en fonction de la viscosité du fluide. Plus le fluide est visqueux, plus la vitesse du barreau est importante. Ce type d’appareil permet de mesurer la viscosité sur une large gamme de viscosités et de températures. La mesure est réalisée à taux de cisaillement constant et inconnu, ce qui permet uniquement la caractérisation de fluides newtoniens.

Rhéomètre capillaire

Les rhéomètres capillaires sont des appareils qui utilisent un vérin pour forcer le fluide à analyser à traverser une filière de diamètre calibré à un débit souhaité. La mesure de la pression en entrée et sortie de filière lorsque l’écoulement est établi permet de remonter à la viscosité du fluide en fonction de la température et du taux de cisaillement.

Viscosimètre vibrant

C’est le type de viscosimètre le plus utilisé pour des mesures en continu dans les procédés industriels. La méthode consiste à mettre en vibration un mobile dans le fluide à analyser. La valeur d’amplitude atteinte par le mobile varie en fonction de la viscosité du fluide dans lequel il est immergé.

Mesure de viscosité de fluides non newtoniens

La majorité des viscosimètres fonctionnent à cisaillement constant et pas forcément connu. Lorsque le fluide est newtonien, cela n’a pas d’importance car le fluide a la même viscosité quel que soit le cisaillement appliqué. Cependant, si le fluide n’est pas newtonien, la viscosité mesurée ne correspondra qu’à ce taux de cisaillement. Ceci peut avoir de grands impacts. La viscosité d’un fluide peux varier de plusieurs ordres de grandeur lorsque le cisaillement varie, et ceci dans un sens comme dans l’autre. Ce type de fluide nécessite alors une étude plus approfondie par analyse rhéologique. Il faut alors déterminer une courbe d’écoulement qui représente la viscosité en fonction du taux de cisaillement.