Une interface est la zone de contact de deux phases immiscibles (par exemple, interface eau/huile). Le Système de Rhéologie Interfaciale (SRI) est utilisé pour mesurer les propriétés rhéologiques d'une couche interfaciale entre deux liquides ou entre un liquide et un gaz (air). Il permet l'étude des effets de différents tensioactifs sur la stabilité de la couche (par exemple, la formulation d'émulsions ou de mousses, ou la stabilité des gouttelettes) et permet des mesures rhéologiques des structures interfaciales les plus faibles.
Rhéologie interfaciale
Contexte
Figure 1 : Bi-cone au-dessus de l'IRS
Associé à un rhéomètre MCR, le système de rhéologie interfaciale (IRS) permet d'effectuer des mesures de rhéologie bidimensionnelle de films interfaciaux à l'interface air-liquide et liquide-liquide. Pour ces mesures, la contrainte de cisaillement devient la contrainte de cisaillement interfaciale τs dans [τs] = Pa·m. La viscosité se transforme en viscosité de cisaillement interfaciale ηs avec la relation : τs = ηs ·γ. La viscosité de cisaillement interfaciale est mesurée en [ηs] = Pa·s·m = N·s/m ou Poise de surface. Un système de mesure bicône est placé au niveau de l'interface à l'intérieur du système de rhéologie interfaciale et mesure les films absorbés ou dispersés, comme par exemple les films produits par des protéines ou des surfactants. Veuillez noter : La rhéologie de cisaillement interfacial n'a de sens que si un film est présent !
Il existe deux méthodes générales pour créer des films interfaciaux : étalement ou absorption. Films étalés (principalement pour les tensioactifs de faible poids moléculaire), qui peuvent être créés en :
- se dissolvant dans un solvant étalé (par exemple, hexane, éthanol, chloroforme)
- se répandant directement sur l'eau avec une micro-syringe
- attendant l'évaporation complète du solvant
- versant la phase huileuse sur le film de tensioactif
Films absorbés (par exemple pour les couches interfaciales de protéines), qui sont créés par absorption de la phase volumique à l'interface. Cela peut être réalisé en :
- dissolvant les protéines dans de l'eau distillée
- versant doucement la phase huileuse sur la solution eau/protéine
Figure 2 : option de mesure de l'IRS
L'IRS, en tant que combinaison de la géométrie MCR et bi-cone, permet les mesures rhéologiques des structures interfaciales les plus faibles. De plus, avec une géométrie à bi-cone, des viscosités interfaciales élevées peuvent être mesurées. Les données brutes sont produites par des tests standard rhéologiques bien connus, et les propriétés interfaciales peuvent ensuite être calculées en les analysant. Une analyse du champ d'écoulement hydrodynamique de post-traitement soustrait la contribution de la phase volumique et de la phase supérieure et calcule les propriétés interfaciales importantes de la couche interfaciale mesurée. Les mesures peuvent être effectuées en mode rotationnel ou oscillatoire, permettant par exemple d’obtenir des courbes d’écoulement et des essais de fluage à l’interface, ou encore des tests oscillatoires pendant les processus de formation de film. Le contrôle de la température s'effectue au moyen d'éléments Peltier dans une plage de 5 °C à 70 °C ; le capteur de force normale breveté intégré dans le palier à air des rhéomètres MCR permet le positionnement précis du bicône au niveau de l'interface. Les tests typiques qui peuvent être effectués sont :
- Tests de temps pour suivre la formation du film interfacial
- Courbes d'écoulement
- Balayages d'amplitude
- Balayages en fréquence
Applications typiques :
- Aliments : émulsions et mousses
- Produits de consommation : émulsions, mousses et tensioactifs
- Produits pharmaceutiques : encapsulation et libération de médicaments
- Industries pétrolières : tensioactifs, réducteur de traînée, et systèmes eau-huile
- Monocouches de Langmuir : films à l'interface eau-air
Exemple de mesure
La figure suivante illustre une mesure représentative visant à étudier les propriétés rhéologiques interfaciales de la crema du café. Il montre la formation de film pour le même échantillon de café à trois concentrations différentes. Lors de la mesure à déformation constante et à fréquence constante, il est possible de suivre l'adsorption et la formation de réseau des ingrédients actifs de surface à l'interface liquide/air. Pour des concentrations plus élevées, le film montre de l'élasticité déjà après un temps plus court. Dans le cas de la concentration la plus basse, les modules augmentent sur une période plus longue et n'ont toujours pas atteint des valeurs de plateau à la fin de l'expérience. Cela indique que plus la concentration de la poudre de café est élevée, plus la formation du film est rapide.
Figure 3 : Formation de film d'échantillons de café à différentes concentrations : 0,05 g (courbes bleues), 0,15 g (courbes vertes) et 0,3 g (courbes rouges) de poudre de café dans 114 mL d'eau doublement distillée.
Trouvez plus de détails dans le rapport d'application : Rhéologie de cisaillement interfaciale du café
