La première étape consiste à décider quelle géométrie de mesure utiliser.
Évitez les Erreurs de Mesure en Rhéométrie
Sélection de la géométrie de mesure optimale
Géométries de mesure cône/plaque (CP) ou cône et plaque
Bien que les CP soient adaptés pour la plupart des échantillons, ils ont un facteur limitant : Comme l'espace de cisaillement au centre du cône est généralement très étroit, la règle empirique concernant la taille maximale des particules, comme mentionné ci-dessus par Joe Flow, est particulièrement importante avec ce type de systèmes géométriques.
Figure 1 : Fonctions de viscosité dépendantes du taux de cisaillement : (1) Test approprié avec un écart de mesure correctement réglé, (2) écart trop petit, les effets de glissement sur les parois peuvent avoir une influence plus forte, (3) écart trop grand, seule une partie de l'échantillon sera cisaillée.
Géométries de mesure à cylindres concentriques (CC)
Les géométries CC sont recommandées pour les liquides à faible viscosité et les liquides avec une faible tension de surface (comme les huiles) car ils ont souvent tendance à s'écouler hors de l'espace des géométries CP ou PP. Vous devriez également mesurer des échantillons qui sèchent rapidement avec une géométrie CC car l'espace de cisaillement annulaire d'un CC est recouvert par le haut par une épaisse couche d'échantillon excédentaire.
Plaque/plaque ou plaques parallèles (PP) mesurant des géométries
Les géométries PP conviennent bien aux échantillons contenant des particules comparativement plus grandes car la largeur d'écart typique du PP de 0,5 à 1,0 mm est plutôt grande. Des échantillons hautement visqueux, tels que des fondus de polymère non remplis, sont principalement testés avec une géométrie PP. Dans une géométrie CP, les échantillons sont soumis à beaucoup plus de cisaillement (tension et déformation) lors du réglage de l'écart en raison de l'écart beaucoup plus petit. Ainsi, dans une géométrie CP, les échantillons de polymère auraient besoin d'un temps de relaxation significativement plus long avant la mesure réelle.
Les géométries PP sont recommandées pour des tests effectués dans une plage de température variable. En raison de l'écart de mesure plus important, il y a l'avantage que l'expansion thermique de la géométrie de mesure et de l'échantillon est moins perceptible (que avec CP).
Veuillez noter :
Assurez-vous d'effectuer correctement le réglage sans écart lors de l'utilisation des géométries CP ou PP. Avec des rhéomètres modernes, le programme de contrôle s'occupera de cela. Si l'écart de mesure est trop petit, les tests seront influencés dans une plus grande mesure par les effets de glissement sur les murs, ce qui entraîne des valeurs mesurées trop basses. Si l'écart est trop grand, seule une partie de l'échantillon sera cisaillée, ce qui entraîne également des valeurs mesurées trop basses (Figure 1). En règle générale, lors des tests de dispersions, l'écart de mesure doit être au moins 10 fois plus grand que la taille maximale des particules ou des agglomérats solides dans l'échantillon. Si vous ne respectez pas cette règle, vos valeurs mesurées peuvent être trop élevées.
Temps de prétraitement et de repos pour l'échantillon avant le test
L'historique de l'échantillon est importante et doit toujours être prise en compte. Cela s'applique à tous les stress mécaniques, thermiques et temporels que l'échantillon a subis avant le test.
Veuillez noter :
Assurez-vous que l'échantillon est homogène (par exemple, sans bulles d'air). Pour obtenir des valeurs comparables, vous devez préparer chaque échantillon avec la même méthode. Les conditions de stockage et les processus de mélange, par exemple, devraient être standardisés. Bien que le remuage ou le secouage doivent être évités, si vous devez le faire, assurez-vous que cela soit toujours effectué de la même manière.
Les procédures de mise de l'échantillon dans le système de mesure et de réglage de l'écart de mesure exercent déjà une pression sur l'échantillon. Si la régénération dépendante du temps de la structure interne de l'échantillon prend plus de temps, un temps de récupération correspondant doit être incorporé avant de commencer la mesure (comportement thixotrope). Un temps de récupération trop court entraîne des valeurs incorrectes. Dans la Figure 2, par exemple, la viscosité mesurée pour l'échantillon 2 est trop basse, et les courbes montrent la forme d'une courbe de croissance car il y a encore des effets de démarrage.
Figure 2 : Mesure des courbes de viscosité dépendantes du temps de deux échantillons pour évaluer le temps nécessaire aux échantillons pour reconstruire leur structure après un cisaillement précédent, ici comme un test de taux de cisaillement contrôlé à 1 s-1 : L'échantillon 1 n'a pas besoin de temps de repos avant la mesure ; en revanche, l'échantillon 2 nécessite un temps de repos plus long car il montre une récupération structurelle prolongée.
Veuillez noter :
Pour les échantillons qui nécessitent un temps de récupération plus long, un intervalle de repos doit être intégré dans le programme de test avant le premier intervalle de test (par exemple, une à cinq minutes, si nécessaire). De plus, avec des rhéomètres modernes, vous pouvez réduire la contrainte sur l'échantillon car vous pouvez ajuster le temps nécessaire pour le réglage de l'écart en conséquence.
Quantité d'échantillon optimale et découpage
Lors de l'utilisation d'une géométrie CP ou PP, si la quantité d'échantillon est trop grande, cela entraîne des valeurs mesurées qui sont trop élevées en raison de débordement de l'espace de mesure et vice versa en cas de sous-remplissage.
Plage de couple et taille des géométries de mesure
Les tests devraient avoir lieu dans la plage de couple optimale. Vous devriez travailler dans une plage supérieure à 10 fois le couple minimum mais inférieure à 90 % du couple maximum de l'instrument utilisé. Si une courbe d'écoulement dépasse la tension de cisaillement maximale (ou le couple maximal) de la géométrie de mesure utilisée, le diagramme montrera une ligne parallèle à l'axe des x. Dans ce cas, vous devriez utiliser une géométrie de mesure avec un diamètre plus petit (ou une zone de cisaillement plus petite). Si les valeurs mesurées s'écartent fortement des plages attendues de faible taux de cisaillement (ou de vitesse de rotation) ou de déformation (ou d'angle de déflexion) et montrent des valeurs aberrantes marquées, alors les valeurs de contrainte de cisaillement résultantes (ou valeurs de couple) sont souvent trop faibles. Dans ce cas, vous devez utiliser une géométrie de mesure avec un diamètre plus grand.
Veuillez noter :
En effectuant un court test avant le test réel, vous découvrirez si vous avez sélectionné la bonne géométrie de mesure en termes de valeurs de contrainte de cisaillement limite supérieure et inférieure.
Ondes de cisaillement dans des liquides à faible viscosité
Pour les tests oscillatoires effectués dans la plage des hautes fréquences, tels qu'un balayage de fréquence, vous pouvez vous attendre à voir des effets secondaires qui interfèrent avec vos résultats, en particulier pour les liquides à faible viscosité (avec des viscosités inférieures à 100 mPas, voir Figure 3).
Un rhéomètre détecte toujours la somme de deux couples. Tout d'abord, il y a le couple nécessaire pour déplacer l'ensemble du système de conduite du rhéomètre, y compris la géométrie de mesure (par exemple, CP ou PP) qui est utilisée. Mais vous pouvez compenser cette valeur de couple et (presque) l'éliminer grâce à une combinaison de conception d'instrument optimisée et de contrôle intelligent du moteur pendant la mesure (par exemple, un entraînement synchrone à commutation électronique). Pour cela, effectuez un simple test préliminaire, où le couple de conduite est déterminé avec une géométrie de mesure vide (c'est-à-dire remplie d'air).
Deuxièmement, il y a la valeur de couple qui est mesurée en raison du comportement rhéologique de l'échantillon. Puisque ce dernier couple doit être aussi grand que possible par rapport au couple moteur du rhéomètre (déterminé pour la géométrie de mesure vide), utiliser un système de mesure avec une surface de cisaillement aussi grande que possible serait efficace.
De plus, les échantillons à faible viscosité développent un effet d'inertie spécifique au fluide qui peut être observé sous forme de vagues de cisaillement dans l'espace de cisaillement à haute fréquence. Ces vagues se produisent parce qu'elles ne peuvent pas suivre le mouvement rapide sans délai. Vous pouvez réduire cet effet en réduisant la quantité d'échantillon. Si l'écart de mesure est très étroit, cet effet devient négligeable.
Figure 3 : Balayage de fréquence (oscillation) sur un polymère non réticulé : (1) bonne mesure, (2) effets d'interférence se produisant à des fréquences (angulaires) élevées lors de l'utilisation d'une géométrie de mesure trop petite ou d'un écart de mesure trop large.
Veuillez noter :
Pour les balayages de fréquence sur des liquides à faible viscosité, sélectionnez une géométrie CP ou PP avec un diamètre aussi grand que possible (par exemple, 50 mm) et un écart de mesure aussi petit que possible. Pour une géométrie PP, par exemple, cela signifierait une distance de plaque de 0,5 mm ou même juste 0,3 mm. Pour une géométrie CP, cela serait un angle de cône de 1° ou 0,5°, ou même juste 0,3°.
Effets de glissement sur le mur
Pour les échantillons contenant de l'huile ou des graisses, soyez conscient des effets de glissement sur le mur dans la géométrie de mesure. Dans ce cas, les valeurs mesurées diminueront plus tôt que d'habitude et continueront à diminuer. Souvent, les surfaces sablées ou profilées peuvent prévenir ou du moins retarder cet effet (Figure 4).
Veuillez noter :
Pour les échantillons contenant de l'huile ou des graisses, et pour les échantillons qui sont autrement difficiles à mesurer en termes d'effets de glissement sur les parois, des tests de comparaison réalisés avec des surfaces lisses régulières ainsi qu'avec des surfaces sablées et profilées fourniront des informations utiles sur l'occurrence et l'étendue de cet effet.
Figure 4 : Balayages d'amplitude (oscillation) sur un échantillon contenant des graisses : (1) Bonne mesure sans effets de glissement sur les parois lors de l'utilisation d'une plaque profilée. (2) Effets de glissement sur les parois se produisant à des valeurs de déformation de cisaillement élevées lors de l'utilisation d'une plaque lisse. Par conséquent, ici, les valeurs mesurées fluctuent, diminuent plus tôt et, par exemple, le point de croisement G' = G'' ne peut pas être clairement défini.
Équilibrage de température suffisant de l'échantillon et du système de mesure
La température est le facteur d'influence le plus important pour toutes les valeurs rhéologiques. Un temps d'équilibrage de température trop court (phase de chauffage ou de refroidissement) donnera des résultats incorrects car la température ne sera pas uniforme dans l'ensemble de l'échantillon. Une température trop basse augmente les valeurs mesurées et vice versa.
Veuillez noter :
Le temps d'équilibrage de la température avant la mesure doit être d'au moins cinq minutes ou même dix minutes, selon la température de mesure.
Lorsque les taux de chauffage ou de refroidissement sont trop élevés, la température de l'échantillon ne respectera pas les valeurs cibles. Il y aura une différence de température significative à différents endroits dans l'écart de mesure, produisant un gradient de température dans l'échantillon.
Exemple de mesure :
Le taux de chauffage ou de refroidissement a une forte influence sur la détermination des valeurs de température spécifiques, telles que la température de transition vitreuse Tg d'un polymère ou le point de fusion d'une huile (Figure 5). Les taux de chauffage et de refroidissement devraient être dans la plage de 1 °C/min à 2 °C/min.
Lors de la réalisation de tests à des températures qui s'écartent de plus de 10 °C de la température ambiante ou de tests effectués dans une plage de température variable par chauffage ou refroidissement (balayages de température), utilisez une capuche de contrôle de température “active”. Avec un tel équipement, vous pouvez réduire le gradient de température à un minimum négligeable.
Figure 5 : Fonctions de viscosité dépendantes de la température d'une huile minérale lors du refroidissement pour la détermination du point d'écoulement : (1) Bonne mesure à un taux de refroidissement de 1 °C/min. (2) La valeur déterminée pour le point d'écoulement était trop basse car le taux de refroidissement était trop élevé pour atteindre une température uniforme dans l'ensemble de l'échantillon d'huile.
Chauffage par cisaillement visqueux à des taux de cisaillement très élevés
À des taux de cisaillement très élevés (>1000 s-1), maintenir une température de mesure constante peut être un défi car l'échantillon est également chauffé par la friction interne qui se développe pendant le processus d'écoulement. Dans ce cas, l'augmentation des valeurs mesurées serait plus lente que d'habitude (dans le cas de la contrainte de cisaillement), ou elles diminueraient continuellement (dans le cas de la viscosité, Figure 6).
Veuillez vous souvenir :
Chaque liquide en écoulement a une résistance à l'écoulement qui est produite par la friction interne des molécules et, si présente, également par d'autres composants du liquide. Ceci s'appelle le chauffage par cisaillement visqueux.
Veuillez noter :
À des taux de cisaillement élevés, vous devez définir une durée de mesure aussi courte que possible (par exemple, en sélectionnant un petit nombre de points de mesure et une durée de point de mesure d'une seconde seulement).
Figure 6 : Fonctions de viscosité dépendant du taux de cisaillement d'une solution polymère : (1) bonne mesure, (2) durée de point de mesure trop longue à des taux de cisaillement élevés. Ici, en raison du chauffage par cisaillement visqueux, la viscosité diminue continuellement.
Échec de bord
Lors de l'utilisation d'une géométrie CP ou PP, gardez à l'esprit la défaillance des bords. Surveillez toujours le bord de l'écart de près. Vous pouvez utiliser une caméra vidéo pour enregistrer des données optiques comme des images ou des vidéos.
a) Force centrifuge
Lors de l'utilisation d'une géométrie CP ou PP à des taux de cisaillement élevés, les effets d'inertie peuvent provoquer l'écoulement de l'échantillon hors de l'espace ou même son éjection, ce qui entraîne une diminution continue des valeurs mesurées (Figure 7).
Veuillez noter :
Pour les échantillons qui ont tendance à sortir de l'écart, sélectionnez une durée de mesure aussi courte que possible.
Figure 7 : Fonctions de viscosité dépendantes du taux de cisaillement : (1) bonne mesure ; l'échantillon est resté dans l'espace de mesure, (2) mauvaise mesure causée par la perte de l'échantillon hors de l'espace.
b) Formation de stries, fracture de cisaillement et fracture de fusion
À des taux de cisaillement très élevés dans les géométries CP et PP, des échantillons hautement visqueux et viscoélastiques tels que des pâtes et des fondants polymères peuvent développer des stries et des effets de bord, y compris la fracture de cisaillement et la fracture de fusion (Figure 7). Cela entraîne souvent la rupture de l'échantillon transversalement et parallèlement à la plaque inférieure, de sorte que seule une partie de l'échantillon est encore cisaillée. L'échantillon ne s'écoule plus de manière homogène, et vous pouvez vous attendre à ce que l'échantillon soit évacué par l'écart et que des bulles d'air apparaissent. En conséquence, les valeurs mesurées fluctuent souvent de manière significative, le plus souvent avec une tendance à diminuer continuellement.
Veuillez noter :
Pour les échantillons qui ont tendance à sortir de l'écart, sélectionnez une durée de mesure aussi courte que possible.
Écoulement turbulent
À des taux de cisaillement élevés, les liquides à faible viscosité (viscosité <100 mPas) peuvent développer un écoulement turbulent avec ce qu'on appelle des effets d'écoulement secondaires, tels que la formation de vortex. Dans ce cas, les valeurs mesurées seront considérablement augmentées (Figure 8). Si cela se produit, l'exigence de flux laminaire n'est plus respectée, et par conséquent, les valeurs mesurées obtenues ne peuvent plus être considérées comme des valeurs absolues.
Veuillez noter :
Utilisez des systèmes de mesure avec un écart étroit pour les liquides à faible viscosité. Utilisez une géométrie de cylindre à double espace (DG), par exemple, car l'écart ici est beaucoup plus étroit que dans une géométrie de cylindre standard. Alternativement, vous pouvez utiliser un système CP avec un petit angle de cône (1°, 0,5° ou même juste 0,3°).
Figure 8 : Fonctions de viscosité dépendantes du taux de cisaillement d'une dispersion à faible viscosité contenant des particules de couleur or dans l'acétone : (1) bonne mesure, produisant un comportement d'écoulement idéalement visqueux, (2) avec un comportement d'écoulement turbulent à des taux de cisaillement élevés. Les systèmes de mesure utilisés étaient une géométrie à double espace (DG) pour (1) et une géométrie à cylindre concentrique commun (CC) pour (2). Les images montrent l'écoulement laminaire (A) et l'écoulement turbulent avec des tourbillons (B).
Escalade de tige (effet Weissenberg)
Lors de la réalisation de tests de rotation avec une géométrie CC, des liquides viscoélastiques pourraient grimper le long de l'arbre du mélangeur à une vitesse de rotation (ou un taux de cisaillement) accrue. Les rhéologistes appellent cela l'effet Weissenberg (5). Cela peut entraîner une augmentation de la quantité de matériau d'échantillon migrant hors de l'espace annulaire entre la tasse et le flotteur. Cet effet peut produire des valeurs mesurées diminuées. De tels effets peuvent également se produire dans les géométries CP et PP, ce qui entraîne une défaillance des bords.
Effets de démarrage et effets transitoires
Des effets transitoires (dépendants du temps) peuvent se produire si la durée du point de mesure est trop courte pour les tests effectués dans la plage des faibles taux de cisaillement (par exemple, en dessous de 1 s-1). Ces effets sont également appelés effets de démarrage (produisant des courbes de croissance) car l'écoulement dans tout l'espace de mesure ne s'est pas encore complètement adapté aux conditions de cisaillement prédéfinies. Dans ce cas, les valeurs calculées seront trop basses. Un maximum de viscosité transitoire (ou pic) se développe souvent pour un échantillon avec un comportement de fluage lors de la mesure.
Veuillez noter :
Il existe une règle empirique qui doit être suivie pour les tests dans la plage de faible cisaillement (γ· < 1 s-1) :
La durée pour chaque point de mesure (tMP) doit correspondre au moins à la valeur réciproque du taux de cisaillement, ce qui est tMP ≥ (1 / γ·). Au lieu de cela, il est préférable de sélectionner moins de points de mesure pour chaque décennie de taux de cisaillement et de prévoir une période de temps suffisante pour chaque point de mesure individuel.
Ségrégation de l'échantillon
Des échantillons physiquement instables composés de composants ayant des densités différentes peuvent se séparer en raison de la force gravitationnelle. Cela peut être vécu comme la sédimentation (décantation) de particules, la flottaison (crémage) de gouttelettes, ou la synerèse (ségrégation des différentes phases). Une telle séparation se développe souvent comme un effet à long terme.
Alternativement, vous pouvez utiliser des géométries de mesure sous forme de mélangeurs. Si vous utilisez un tel système, gardez à l'esprit que les valeurs mesurées ne sont plus des valeurs absolues mais des valeurs relatives. C'est parce que la géométrie de mesure ne respecte plus les spécifications pour les géométries de mesure absolues et qu'il n'y a plus d'écoulement laminaire mais un écoulement turbulent.
Évaporation des solvants et dessèchement de l'échantillon
Pour les échantillons contenant de l'eau ou un autre solvant pouvant s'évaporer, utilisez une géométrie CC car d'autres systèmes de mesure peuvent entraîner le dessèchement de l'échantillon. Puisqu'avec les géométries CC un certain excès d'échantillon est utilisé lors du remplissage de la tasse, ces effets influencent le résultat du test de manière minimale, en particulier lors de l'utilisation d'un capuchon ou d'un piège à solvant. Ainsi, utilisez un piège à solvant pour les géométries CP et PP. Un design approprié avec un réservoir liquide qui peut être rempli de solvant ou d'eau garantit que l'espace de mesure est scellé de l'environnement. Dans ce cas, l'échantillon est entouré d'une atmosphère plus ou moins saturée. Si l'échantillon se dessèche, les valeurs mesurées augmenteront généralement régulièrement au fil du temps (Figure 9).
Figure 9 : Test par paliers avec trois intervalles (faible cisaillement/fort cisaillement/faible cisaillement) pour la détermination de la récupération structurelle dépendante du temps d'un échantillon dans le troisième intervalle de test : (1) Bonne mesure avec régénération partielle, ou comportement thixotrope de l'échantillon. (2) Les valeurs mesurées augmentent avec le temps car l'échantillon est en train de sécher.
