Rhéologie – Étude rhéologique

Qu’est ce que la rhéologie ?

La rhéologie est une discipline qui étudie la déformation et l’écoulement de la matière sous l’effet de contraintes mécaniques. Il s’agit donc d’une catégorie de la science et plus particulièrement de la physique, qui analyse le comportement de produits sous l’action de forces mécaniques.

En rhéologie, la viscosité est une notion importante : cette grandeur caractérise la résistance d’un fluide à son écoulement. La viscosité d’un fluide dépend systématiquement de la température, mais aussi très souvent de la contrainte mécanique appliquée (cisaillement).

Pourquoi étudier le comportement rhéologique d’échantillons liquides ou
solides ?

Les matériaux et les fluides peuvent avoir des comportements très différentes lorsqu’ils sont sollicités mécaniquement. 

Certains fluides ont la particularité d’avoir une viscosité constante quelle que soit la contrainte mécanique qui leur est appliquée. Ceci est une caractéristique très rare que présente l’eau et de nombreuses huiles pures. Ce sont des fluides newtonien. La majorité des matériaux et solides sont à l’inverse non-newtonien.

Certains font preuve d’élasticité : leur déformation est réversible lorsque la sollicitation mécanique cesse. D’autres à l’inverse montrent une plasticité : ils se déforment de manière irréversible malgré l’arrêt de la sollicitation physique. Des seuils de contrainte existent et délimitent les conditions dans lesquels les matériaux ou fluides ont tel ou tel comportement rhéologique. 

Les études rhéologiques proposées par Calnesis sont notamment utilisées pour le dimensionnement de systèmes de pompage de fluides visqueux dans l’industrie.

Mickaël Simond, Président et Directeur commercial, Calnesis

Les matériaux dont la viscosité augmente avec le gradient de cisaillement sont dits rhéo-épaississants. Ceux ayant le comportement inverse sont rhéo-fluidifiant. 

Enfin, certains échantillons sont aussi appelés fluides à seuil. Ces échantillons ont un comportement différent sur certaines gammes de contrainte mécanique.

Cette grande variété de comportements impose la caractérisation systématique des matériaux et fluides soumis à des sollicitations mécaniques. On fait notamment appel à la rhéologie pour aider à dimensionner des systèmes de pompages ou des canalisations.

Quels matériaux et fluides peuvent être analysés par rhéologie ?

Tout matériau, matière ou fluide peut faire l’objet d’étude rhéologique pour en déterminer le comportement. Voici quelques exemples d’application de ces études :

Les suspensions sont des mélanges de particules solides dans des liquides souvent utilisés dans l’industrie. La présence de ces particules a une forte incidence sur la viscosité de ces fluides. A faible taux de cisaillement et faible concentration, les particules ont un effet négligeable sur la viscosité. A l’inverse, les suspensions peuvent se comporter comme de véritables solides à cisaillement important et/ou lorsque la concentration en particules est élevée.

Dans le domaine cosmétique, de nombreuses émulsions sont développées. Il s’agit de phases en équilibre dans lesquelles des composés comme l’huile et l’eau prennent la forme d’une structure homogène. Le développement de produits cosmétiques nécessite de maîtriser le comportement rhéologique de ces émulsions.

Les matériaux de construction comme le béton ont un comportement rhéologique qui varie lors de leur prise. L’étude des propriétés rhéologiques de ces matériaux est donc importante pour maîtriser leur état au cours du temps.

Les matériaux polymères comme les plastiques présentent des comportements rhéologiques très différents en fonction de leur méthode de fabrication et de la température. Des analyses spécifiques ont été développées pour les étudier, comme la mesure d’indice de fluidité à chaud, ou MFI (Melt Flow Index).

Comment sont réalisées les analyses rhéologiques ? 

L’instrument de laboratoire dédié aux études rhéologique se nomme un rhéomètre rotatif.

Les rhéomètres rotatifs sont des appareils de pointe utilisés au laboratoire pour les études rhéologiques. Ces appareils permettent d’accéder à de nombreux paramètres : taux de cisaillement, contrainte de cisaillement, viscosité, température, couple appliqué, etc.

Jean-Claude Neyt, Directeur et Responsable Laboratoire, Calnesis

Le rhéomètre impose des mouvements à un mobile en contact avec le matériau ou le fluide à analyser. Il régule la température de la zone de test très précisément sur une large gamme. Il enregistre en permanence l’amplitude de la déformation du matériau et la force qui a été appliquée pour l’obtenir. 

Les rhéomètres sont équipés avec des géométries de mesure très variées : plan-plan, plan rugueux, cône-plan, couette, etc.  Le choix est effectué en fonction de l’échantillon, le type de test à réaliser, la gamme de viscosité, etc.

La mesure de viscosité de fluides newtonien ne nécessite pas un rhéomètre. De nombreux viscosimètres (viscosimètre à chute de bille, cinématique, etc) existent dans ce but.

Quels sont les livrables d’une étude de rhéologie ?

Les livrables d’une étude de rhéologie sont parfois des courbes d’écoulement. Elles indiquent la viscosité du fluide mesurée en fonction du taux de cisaillement à une ou plusieures températures. Ces courbes permettent également de vérifier le caractère newtonien du fluide (viscosité constante en fonction du taux de cisaillement). 

Si le fluide n’est pas newtonien, il est alors possible de déterminer les paramètres d’un modèle d’écoulement du fluide. Ces modèles mathématiques permettent ainsi de décrire en tous points la viscosité du fluide en fonction du cisaillement. C’est la donnée d’entrée idéale pour les logiciels de simulation permettant de dimensionner un procédé. Ces paramètres permettent de quantifier les pertes de charge et de choisir les pompes, le type d’échangeur de chaleur, etc.

Les études rhéologiques comprennent parfois des mesures sur l’évolution de la viscosité en fonction de la température, à cisaillement constant. Des études à amplitude de cisaillement constante sont également parfois réalisées.

Un rapport d’étude comprenant les résultats des tests rhéologiques est remis à l’issue des travaux de mesure en laboratoire.