Structures internes d'échantillons et de comportement de fluidification par cisaillement
Les termes « fluidification par cisaillement » et « comportement d’écoulement de pseudo-plastique » sont des synonymes. Ce comportement se caractérise par une baisse de la viscosité avec une hausse des gradients de cisaillement due à la structure interne des échantillons. Les matériaux typiques qui montrent ce comportement sont les revêtements, les colles, les shampoings, les solutions polymères et les fondants polymères.
Polymères
Figure 1 : Molécules filamentaires d'une solution de polymère ou d'une fusion de polymère : À gauche : Au repos avec des molécules enroulées et emmêlées. À droite : En mouvement sous cisaillement, des molécules étirées et partiellement démêlées, orientées dans la direction du cisaillement.
Au repos, de longues molécules filamenteuses de polymères non réticulés se contractent pour former des boules. Aux bords des molécules, les chaînes s'entrelacent les unes avec les autres (Figure 1). Sous cisaillement, les boules enchevêtrées changent de forme et deviennent ellipsoïdales (en forme de ballon de football américain ou de dirigeable). Cette déformation va de pair avec un désenchevêtrement croissant des molécules. Comme les molécules individuelles ont moins de résistance à l'écoulement que les superstructures enchevêtrées, le résultat est un comportement d'écoulement à cisaillement réducteur avec des valeurs de viscosité décroissantes à des taux de cisaillement plus élevés.
Les molécules enroulées au repos ont un diamètre hydrodynamique dit compris entre 5 nm et 50 nm. Exemple : Le rapport de taille pour le polyéthylène (PE) de masse molaire M = 100 kg/mol, avec des molécules filamenteuses d'une longueur approximative L = 1 μm = 1000 nm (lorsqu'elles sont étirées) et un diamètre d'environ d = 0,5 nm, est L/d = 2000:1. Pour une meilleure compréhension, imaginez simplement un spaghetti qui fait 1 mm d'épaisseur et 2000 mm = 2 m de long.
Suspensions contenant des particules en forme d'aiguille ou de plaquette
Figure 2 : Particules en forme d'aiguille ou semblables à des plaquettes dans une suspension : À gauche : Disposées au hasard au repos. À droite : En mouvement sous cisaillement, des molécules étirées et partiellement démêlées, orientées dans la direction du cisaillement.
En l'absence de forces d'interaction, les particules dans une suspension au repos sont orientées de manière aléatoire (Figure 2). Lorsque le cisaillement est appliqué, les particules commencent à s'aligner parallèlement à la direction d'écoulement. Cela facilite leur glissement les uns sur les autres plus facilement. Puisque les particules individuelles montrent maintenant moins de résistance à l'écoulement que dans un état désordonné au repos, il est évident qu'avec l'augmentation du taux de cisaillement, elles affichent un comportement d'écoulement à cisaillement décroissant avec une diminution de la viscosité.
Exemple 1 : Les particules de pigment dans les revêtements automobiles à effet métallique, appelées flocons d'aluminium, ont un diamètre de d = 7 à 30 μm et une épaisseur de h = 0,2 μm à 1 μm : Le rapport résultant d/h est de 30:1. Pour une meilleure compréhension : Les tapis de bière ont une forme comme celle-ci Exemple 2 : Les particules primaires en céramique dans les boues de coulage telles que la montmorillonite (par exemple, la bentonite) mesurent environ 800 nm de long, 800 nm de large et 1 nm d'épaisseur.
Suspensions avec des superstructures de particules primaires agglomérées
Figure 3 : Particules dans une suspension : À gauche : Particules agglomérées au repos. À droite : Sous cisaillement, en mouvement avec défaillance de la superstructure. Cela réduit la résistance à l’écoulement, provoquant ainsi un comportement d’écoulement cisaillé.
Au repos, les agglomérats dans une suspension enferment également des parties du liquide de dispersion, immobilisant ainsi celui-ci (Figure 3). Sous cisaillement, les superstructures se désintègrent de plus en plus en particules primaires, ou, pour être plus précis, en leurs agrégats. Comme les superstructures plus petites affichent moins de résistance au flux, et comme le liquide de dispersion auparavant immobilisé est maintenant libre de se déplacer à nouveau, le résultat est un comportement d'écoulement à cisaillement décroissant avec une viscosité décroissante à des taux de cisaillement croissants.
Les particules primaires ont une taille de 1 nm à 10 nm, tandis que les agrégats, d'une taille totale allant jusqu'à 100 nm, sont des particules primaires liées par des liaisons relativement fortes. Les agglomérats, d'une taille globale allant jusqu'à 100 μm, se caractérisent par des liaisons relativement lâches ; ils se composent d'agrégats ou de particules.
Émulsions avec des gouttelettes dispersées
Figure 4 : Gouttelettes dans une émulsion. Gauche : État au repos avec des gouttelettes en forme de sphère. Droite : En mouvement sous le cisaillement, les gouttelettes sont déformées dans la direction du cisaillement. Les gouttelettes et les particules de graisse dans le lait ont des diamètres compris entre 0,1 μm et 10 μm.
Au repos, les gouttelettes dans une émulsion ont la forme de sphères (Figure 4). Lorsqu'elles s'écoulent, la taille et la forme des gouttelettes dépendent du cisaillement appliqué. L'augmentation de la déformation conduit à une forme ellipsoïdale. Parce que les gouttelettes montrent maintenant une section transversale plus petite dans la direction d'écoulement, l'émulsion présente une diminution de la viscosité, c'est-à-dire un comportement d'écoulement à cisaillement réduit.
Remarque : Émulsions avec des gouttelettes brisées sous forte cisaillement. Il est possible que, sous une forte cisaillement, une subdivision des gouttelettes puisse se produire, entraînant une augmentation de la viscosité. La cause peut être l'augmentation de la surface spécifique par volume qui accompagne la décomposition des gouttelettes. Si des forces d'interaction fortes sont présentes à l'interface entre les deux phases liquides, cela peut entraîner des résultats indésirables. Par exemple, une crème pour les mains ou une lotion peut sembler collante, gluante ou filandreuse lorsqu'elle est appliquée. Une option intéressante pour afficher optiquement des substances transparentes sous des conditions de cisaillement définies est l'utilisation d'un rhéo-microscope (Figure 5).
Figure 5 : Émulsion composée de gouttelettes d'eau dans de l'huile de silicone, vue sous un microscope optique. (1) Au repos, les gouttelettes sont en forme de sphère ; (2) À un faible taux de cisaillement de 0,5 s-1, les gouttelettes de la phase interne sont légèrement déformées ; (3) À un taux de cisaillement de 16 s-1, des gouttelettes clairement déformées sont maintenant en forme d'ellipsoïdes (comme un dirigeable) ; (4) Au repos après avoir été soumises à un taux de cisaillement élevé de 100 s-1, ce qui a entraîné une rupture des gouttelettes et une taille moyenne des gouttelettes clairement réduite.
