La rhéologie de pression décrit la détermination du comportement d'écoulement ou de déformation d'un matériau sous une pression accrue au-dessus de l'ambiante, supérieure à 1 bar (100 kPa). La rhéologie de pression est généralement utilisée pour les applications suivantes :
Lorsque la pression est appliquée à un liquide, la viscosité augmente généralement. La seule exception est l'eau en dessous de 32 °C et certaines solutions à base d'eau. On suppose que l'effet est causé par le volume libre du liquide, qui est réduit lorsque la pression est appliquée. Cela entraîne une augmentation de la friction interne et donc une augmentation de la viscosité. [2] L'augmentation de la viscosité dépend fortement de la structure du matériau et des molécules. Comparé à la température, cependant, les influences de la pression sont significativement plus petites. De nombreux liquides avec une structure moléculaire simple montrent de légers changements de viscosité dans une plage de pression modérée allant jusqu'à plusieurs centaines de bars, et par conséquent, l'influence de la pression peut souvent être négligée pour les applications techniques. Les matériaux avec des molécules plus longues peuvent être affectés de manière plus significative par une pression accrue. Surtout pour les molécules ramifiées, qui ont un volume intérieur libre supplémentaire, l'effet de pression peut être augmenté. L'influence de la pression est souvent non linéaire et augmente encore avec l'augmentation de la pression. Ceci est particulièrement pertinent pour la lubrification, où des pressions très élevées peuvent apparaître. De plus, dans le domaine de la récupération de pétrole, les influences de pression peuvent devenir significatives.[1][2]
Figure 1 Influence de la pression sur la viscosité du pétrole brut
La figure 1 montre l'influence de la pression sur le pétrole brut jusqu'à 1.000 bar. On peut voir que l'influence de la pression augmente significativement au-dessus de 600 bar.
Dans de nombreux cas, une pression est appliquée pour empêcher l'évaporation des matériaux volatils ou le séchage. De cette manière, la viscosité des matériaux à température élevée peut être mesurée pour simuler le comportement de traitement technique. De plus, des expériences de vieillissement à température élevée peuvent être réalisées. Ce type de test est couramment utilisé dans l'industrie pétrochimique et alimentaire.
En général, la pression peut être appliquée soit par une pompe à fluide, soit par un gaz. Lors de l'utilisation d'un gaz non dissolvant ou au moins d'un gaz qui se dissout très peu (typiquement N2), les résultats d'une mesure devraient être les mêmes que lorsque une pompe à liquide est utilisée. Si le gaz se dissout dans une mesure significative, cependant, il réduit généralement la viscosité du matériau. Dans ce cas, le gaz peut agir comme un plastifiant. Ceci est souvent fait dans l'industrie des polymères pour remplacer les solvants pour le traitement des polymères, par exemple pour la polymérisation ou le mélange de polymères avec du gaz CO2 [3]. Le rapport d'application suivant décrit comment différents gaz peuvent influencer la viscosité des fondus polymères : Mesures de PDMS sous pression Influence du gaz utilisé pour la pressurisation
La formation d'hydrates dépend fortement de la pression et de la température et peut être affichée dans des diagrammes pression-température. Lorsque les hydrates commencent à se former, le liquide devient une boue et, par conséquent, la viscosité augmente. Ceci est particulièrement important pour la récupération de pétrole, car l'apparition d'hydrates peut entraîner des baisses de pression accrues ou même un blocage complet dans les lignes de production. Sur la base des mesures rhéologiques sous pression élevée, un tel comportement peut être prédit et des précautions peuvent être prises.[4] Un exemple d'une telle mesure est affiché dans la Figure 2. Il montre la formation d'hydrate indiquée par le pic de viscosité à une température de 5,5 °C.
Figure 2 : Courbe de viscosité dépendante de la température du pétrole brut mélangé avec de l'eau salée à 50 bars de pression. À environ 5,5 °C, la formation d'hydrates se produit. [4]
En plus de la formation d'hydrates, la cristallisation peut jouer un rôle à pression élevée. Pour plus d'informations, veuillez consulter le rapport d'application suivant : Mesures rhéologiques à haute pression et basse température Trouvez des informations supplémentaires dans le cours e-learning : Rhéologie à haute pression
Figure 3 a) Cellule de pression de gaz
Une cellule de pression est un système complètement scellé. Le principal défi est de transduire le couple du rhéomètre à l'intérieur de la cellule de pression pour obtenir un mouvement de rotation du système de mesure. Ceci est généralement fait via des aimants. En général, une distinction peut être faite entre deux types différents de cellules de pression : les cellules de pression gazeuse et les cellules de pression liquide. a) Cellules de pression gazeuse La figure 3a montre le principe de construction d'une cellule de pression gazeuse. L'échantillon est indiqué en bleu. La pression est exercée par un gaz, qui est situé au-dessus de l'échantillon. Selon l'application, différents gaz peuvent être utilisés. La cellule est connectée à un cylindre de pression ou à une pompe à pression de gaz pour appliquer la pression. Le couple est transduit via un aimant intérieur et un aimant extérieur. L'aimant intérieur est connecté à l'arbre de mesure, où le système de mesure est attaché. L'arbre est maintenu en place par deux roulements à billes. Lorsque l'aimant extérieur, qui est connecté à la tête du rhéomètre rotatif, commence à tourner, l'aimant intérieur suit et ainsi le couple de l'instrument est transduit à l'intérieur de la cellule de pression.
Figure 3 a) Cellule de pression de gaz
b) Cellules de pression liquide dans une cellule de pression liquide, les roulements sont directement en contact avec l'échantillon (voir Figure 3b). Dans ce cas, des roulements en saphir sont utilisés. La friction interne de ce type de roulement est plus élevée par rapport aux roulements à billes, ce qui entraîne une sensibilité réduite. La pression est appliquée par compression mécanique du liquide lui-même, en utilisant une pompe à liquide. Le couple est transduit par des aimants, de la même manière que pour les cellules de pression de gaz.
