Rhéologie interfaciale
Une interface est la zone de contact entre deux phases immiscibles (p. ex. une interface eau/huile). Le système de rhéologie interfaciale (IRS) permet de mesurer les propriétés rhéologiques d’une couche interfaciale entre deux liquides ou entre un liquide et un gaz, par exemple l’air. Il permet d’étudier l’effet de différents tensioactifs sur la stabilité de la couche interfaciale (p. ex. dans la formulation d’émulsions ou de mousses, ou pour la stabilité des gouttelettes) et de réaliser des mesures rhéologiques sur les structures interfaciales les plus fragiles.
Contexte
Associé à un rhéomètre MCR, l’IRS permet d’effectuer des mesures rhéologiques bidimensionnelles sur des films interfaciaux aux interfaces air/liquide et liquide/liquide.
Dans ce type de mesures, la contrainte de cisaillement s’exprime sous la forme de la contrainte de cisaillement interfaciale τs, avec [τs] = Pa·m. La viscosité correspond alors à la viscosité de cisaillement interfaciale ηs selon la relation suivante : τs = ηs · γ. La viscosité de cisaillement interfaciale s’exprime en [ηs] = Pa·s·m = N·s/m ou en poise de surface.
Un système de mesure spécifique est positionné à l’interface pour mesurer des films adsorbés ou étalés (par exemple, des films formés par des protéines ou des tensioactifs).
Les deux principales géométries de mesure utilisées en rhéologie interfaciale sont :
- Géométrie à bi-cône
- : mesure aux interfaces liquide-liquide (eau/huile) et liquide-gaz (eau/air)
- Champ de cisaillement bien défini
- Mesure de viscosités élevées
- Anneau à double paroi (DWR)
- : mesure des interfaces liquide-gaz (air) ; la mesure des interfaces liquide-liquide (eau/huile) n’est possible que de manière limitée
- Champ de cisaillement bien défini
- Faible influence de la sous-phase (nombre de Boussinesq élevé)
Remarque : la rhéologie interfaciale en cisaillement n’est pertinente qu’en présence d’un film interfacial. Deux méthodes générales permettent de former des films interfaciaux : l’étalement ou l’absorption.
Lesfilms obtenus par étalement(principalement pour les tensioactifs de faible masse molaire) sont préparés comme suit :
- Dissoudre le tensioactif dans un solvant d’étalement (par exemple l’hexane, l’éthanol ou le chloroforme)
- Déposer la solution directement à la surface de l’eau à l’aide d’une microseringue
- Attendre l’évaporation complète du solvant
- Recouvrir le film de tensioactif avec la phase huileuse
Lesfilms adsorbés(par exemple les couches protéiques interfaciales) se forment par absorption à l’interface à partir de la phase volumique. Pour cela, on procède comme suit :
- Dissoudre les protéines dans de l’eau distillée
- Verser délicatement la phase huileuse sur la solution aqueuse de protéines
L’IRS, associé à un MCR et à une géométrie à bi-cône ou à anneau à double paroi (DWR), permet de réaliser des mesures de rhéologie interfaciale sur les structures interfaciales les plus fragiles. De plus, la géométrie à bi-cône permet de mesurer des viscosités interfaciales élevées.
Les données brutes sont acquises au moyen d’essais rhéologiques standard éprouvés, puis les propriétés interfaciales sont calculées à partir de ces données. Lors du post-traitement, l’analyse hydrodynamique du champ d’écoulement soustrait les contributions de la phase volumique et de la phase de recouvrement, puis calcule les propriétés interfaciales pertinentes de la couche mesurée. Les mesures peuvent être réalisées en modes rotationnel et oscillatoire, ce qui permet, par exemple, d’obtenir des courbes d’écoulement, de réaliser des essais de fluage sur une couche interfaciale ou de suivre la formation du film par des essais oscillatoires.
La température est régulée par des éléments Peltier sur une plage de 5 °C à 70 °C ; le capteur de force normale breveté, intégré au palier à air du rhéomètre MCR, permet de positionner avec précision toute géométrie utilisée à l’interface.
Essais typiques en rhéologie interfaciale :
- Essais en fonction du temps pour suivre la formation du film interfacial
- Courbes d’écoulement
- Balayages d’amplitude
- Balayages en fréquence
Applications typiques :
- Agroalimentaire : émulsions et mousses
- Produits de grande consommation : émulsions, mousses et tensioactifs
- Industrie pharmaceutique : encapsulation et libération de principes actifs
- Industrie pétrolière : tensioactifs, réducteurs de traînée et systèmes eau/huile
- Monocouches de Langmuir : films à l’interface eau/air
Exemple de mesure
La figure suivante présente une mesure représentative des propriétés rhéologiques interfaciales de la créma de café. Elle montre la formation du film pour un même échantillon de café à trois concentrations différentes. Lors d’une mesure effectuée à déformation et à fréquence constantes, il est possible de suivre l’adsorption des composés tensioactifs ainsi que la formation de leur réseau à l’interface liquide/air. À des concentrations plus élevées, le film devient élastique plus rapidement. À la concentration la plus faible, les modules continuent d’augmenter plus longtemps et n’atteignent toujours pas de plateau à la fin de l’expérience. Cela montre que la vitesse de formation du film augmente avec la concentration de poudre de café.
