Notions de base de la thixotropie

De nombreux produits utilisés dans la vie quotidienne peuvent être caractérisés par leur comportement thixotrope. La thixotropie est la propriété qui explique pourquoi les produits de soin personnel comme les gels capillaires et les dentifrices sont liquides lorsqu'ils sont pressés hors du tube mais retrouvent leur état solide initial par la suite afin de rester en place. Les propriétés rhéologiques parfaitement ajustées de la décomposition structurelle et de la régénération en fonction du temps sont responsables de la qualité d'un produit. Cet article décrit comment les tests de thixotropie peuvent être effectués avec un viscosimètre/rhéomètre rotatif pour contrôler/influencer le comportement d'application des matériaux.

La thixotropie est la propriété de certains fluides et gels de devenir plus fins lorsqu'une force constante est appliquée et après réduction de la force, la viscosité revient complètement à l'état initial dans un délai approprié^i-ii. Plus la force appliquée est élevée, plus la viscosité devient faible. La thixotropie est un phénomène dépendant du temps, car la viscosité de la substance doit se rétablir après une certaine période lorsque la force appliquée est retiréeⁱⁱⁱ. Le terme thixotropie est composé des mots grecs "thixis" (toucher) et "trepein" (tourner). Cela signifie le changement ou la transition d’une substance due à une charge mécanique ^iv. Des exemples de matériaux thixotropes sont des lotions, des gels, du ketchup, des peintures, et du plâtre. Par exemple, le ketchup s'écoule du tube lorsqu'il est pressé. Sa viscosité devient plus faible à mesure que la force est appliquée. Après que la force diminue, la viscosité du ketchup revient à son état initial pour un nivellement parfait sur les frites. Cela signifie que le comportement thixotropique est toujours combiné avec un comportement d’écoulement par cisaillement. L'amincissement par cisaillement, également appelé comportement d'écoulement « pseudoplastique », se caractérise par une diminution de la viscosité due à une force appliquée croissante (charge de cisaillement). Dans l'ensemble, il existe trois types différents de comportements d'écoulement dépendants du temps :

Dans les matériaux thixotropes, la résistance structurelle diminue avec une charge plus élevée (en termes rhéologiques : lors du cisaillement) et se rétablit complètement après une certaine période de repos. Le temps de repos nécessaire à la récupération dépend fortement de l'application et doit être défini avant le test. Le comportement thixotrope est une caractéristique de qualité importante des peintures et des revêtements, par exemple. Cela influence la façon dont la peinture s'étale et empêche l'affaissement, mais garantit également une épaisseur de couche humide suffisante et constante. 

Dans les matériaux non thixotropes, la résistance structurelle diminue lors du cisaillement, mais la viscosité ne se rétablit pas complètement après une période de repos appropriée. Il reste plus mince que l'état initial, ce qui signifie que la structure ne se rétablit pas complètement (<100 %). Un échantillon typique qui montre ce comportement est le yogourt. Après agitation, la viscosité du yogourt reste plus fluide qu'initialement. En savoir plus sur la rhéologie des produits laitiers ici. 

Dans les matériaux thixotropes, la résistance structurelle diminue avec une charge plus élevée (en termes rhéologiques : lors du cisaillement) et se rétablit complètement après une certaine période de repos. Ce phénomène est rare mais peut être trouvé dans des suspensions avec une forte teneur en solides comme les dispersions de latex ou les pâtes de coulage en céramique. 

Les tests de thixotropie peuvent être effectués avec un viscomètre ou un rhéomètre en rotation ou en oscillation. Tests de rotation sont décrits dans le chapitre suivant. Il existe diverses méthodes de test disponibles pour analyser le comportement thixotrope. L'accent de cet article est mis sur les méthodes de test les plus courantes. Il convient de noter que chacune des méthodes de test suivantes est réalisée avec une procédure de test différente et, par conséquent, les résultats différeront les uns des autres. Seules les tests de comportement thixotrope réalisés avec la même méthode dans les mêmes conditions peuvent être comparés entre eux.

Le diagramme de la courbe d'écoulement montre comment la contrainte de cisaillement change avec l'augmentation de la vitesse/de la vitesse de cisaillement. Une diminution de la contrainte de cisaillement pendant l'intervalle de maintien à une vitesse constamment élevée indique que la viscosité de l'échantillon diminue. Si la rampe montante et la rampe descendante ne diffèrent pas l'une de l'autre, le comportement de l'échantillon est indépendant du temps lors du cisaillement. Si la rampe vers le haut montre une contrainte de cisaillement plus élevée que la rampe vers le bas, le comportement de l’échantillon est dépendant du temps sous la charge de cisaillement, montrant alors un comportement d’amincissement par cisaillement. Si la rampe vers le haut montre une contrainte de cisaillement plus faible que la rampe vers le bas, alors l’échantillon montre un comportement dépendant du temps lors du cisaillement, montrant un comportement d’épaississement par cisaillement. 

Le montant de la zone d'hystérésis est calculé comme suit :  

Différence entre  

• Zone entre la rampe ascendante et l'axe ẏ 
• Zone entre la rampe descendante et l'axe ẏ 

Si la valeur est positive, l'échantillon montre une dégradation structurelle et si la valeur est négative, l'échantillon montre une accumulation structurelle lors du cisaillement.

Pour des tests de contrôle qualité très simples, certains utilisateurs effectuent la méthode suivante afin d'évaluer le comportement thixotrope. Pour analyser le temps nécessaire à la récupération de la viscosité après cisaillement, le viscosimètre doit être arrêté après la rampe descendante. Après une certaine période d'attente, le viscosimètre est redémarré à la vitesse la plus basse disponible afin de voir l'accumulation de la viscosité (régénération structurelle). Comparer la viscosité de l'échantillon avant et après avoir éteint et rallumé le viscosimètre illustre à quelle vitesse la viscosité de l'échantillon revient à son état initial après cisaillement. Si le viscosimètre montre la même valeur de viscosité qu'auparavant, la viscosité s'est complètement rétablie pendant la période d'attente.  

Parfois, le terme "Indice Thixotrope (TI) " est utilisé de différentes manières concernant les méthodes de mesure et l'analyse. 

1. Certains appellent TI le rapport entre la viscosité d'un échantillon à basse (ƞ A) et à haute (ƞ B) vitesses de rotation. Par exemple, la viscosité d'un matériau a été mesurée à 5 rpm (ƞ A) et à 50 rpm (ƞ B). Ensuite, ƞ A est divisé par ƞ B. Si la valeur de TI = 1, l'échantillon montre un comportement d'écoulement newtonien, c'est-à-dire qu'il reste inchangé. Si TI > 1, l'échantillon montre un comportement d'écoulement en cisaillement dépendant de la vitesse et si TI < 1, l'échantillon montre un comportement d'écoulement en cisaillement épais dépendant de la vitesse. Cependant, ici le terme "indice thixotrope" est trompeur car ce rapport quantifie un comportement non newtonien (dilatation ou épaississement sous contrainte) indépendant du temps et non la thixotropie. Pour quantifier la thixotropie, la décomposition et la régénération structurelles dépendantes du temps doivent être mesurées. TI est parfois également appelé "l'Indice de fluidité"^vi, qui est en fait le meilleur terme.
   
   
2. D'autres peuvent appeler TI le rapport entre les valeurs de viscosité à deux moments différents obtenues à une vitesse de rotation constante. Par exemple, la viscosité d'un matériau est mesurée après 30 s (ƞ A) et après 600 s (ƞ B) à 20 tr/min. Ensuite, ƞ A est divisé par ƞ B. Si TI = 1, le matériau montre un comportement d'écoulement indépendant du temps. Si TI > 1, l'échantillon montre un comportement d'écoulement en cisaillement dépendant de la vitesse et si TI < 1, l'échantillon montre un comportement d'écoulement en cisaillement épais dépendant de la vitesse. De plus, le terme "indice thixotrope" est trompeur car ce rapport quantifie la décomposition structurelle dépendante du temps d'un matériau mais pas sa régénération structurelle. 

Le "coefficient de dégradation thixotrope (Tb) " est un test simple pour analyser le comportement dépendant du temps des échantillons. Il est particulièrement utilisé pour des contrôles de qualité rapides avec des viscosimètres rotatifs d'entrée de gamme. Dans ce test, l'échantillon est soumis à un cisaillement à une vitesse constante (ou taux de cisaillement) pendant une certaine période de temps. Le changement de viscosité au fil du temps indique le comportement dépendant du temps de l'échantillon. Si la viscosité diminue, l'échantillon présente un comportement de fluage dépendant du temps et si la viscosité augmente avec le temps, l'échantillon présente un comportement d'épaississement dépendant du temps^vii. 

Par exemple, la peinture est mesurée en rotation pendant 10 minutes en maintenant constamment 50 révolutions par minute (rpm). La viscosité de l'échantillon doit être enregistrée à intervalles réguliers (par exemple, toutes les 30 secondes). La lecture du viscosimètre (viscosité) est ensuite tracée en fonction du temps. Ensuite, le Tb est quantifié par un seul nombre en utilisant l'équation 1^viii. 

$$Tb= (\frac{St_1 - St_2}{ln (\frac{t_2}{t_1})}) ⋅ F$$ St₁ = Lecture du viscosimètre à t₁ minutes
St₂ = Lecture du viscosimètre à t₂ minutes
F = Facteur pour la combinaison de broche/vitesse

Équation 1 : Formule pour calculer le "coefficient de dégradation thixotrope"

Les tests de thixotropie donnent un aperçu du comportement d'écoulement dépendant du temps de l'échantillon et peuvent ainsi être utilisés pour le contrôle de qualité de divers produits. Selon les normes modernes telles que la spécification DIN 91143-2 et l'ISO/WD 3219-1, la thixotropie se caractérise par une viscosité décroissante au fil du temps lorsqu'un taux de cisaillement est appliqué et une régénération structurelle complète après que le taux de cisaillement soit fixé à une valeur très basse. Seuls les matériaux qui récupèrent complètement leur structure après cisaillement, comme la plupart des échantillons de ketchup, sont appelés matériaux thixotropes et peuvent être analysés à l'aide du test de palier. Des méthodes simples, telles que l'analyse de la zone d'hystérésis, "l'indice thixotrope" et le "coefficient de dégradation thixotrope", sont souvent utilisées comme une méthode de contrôle qualité simple et rapide. Cependant, selon des normes à la pointe de la technologie, ils n'évaluent pas entièrement le comportement thixotrope. 

Apprendre comment les tests de thixotropie avec un viscosimètre/rhéomètre rotatif peuvent vous soutenir dans le processus d'application de peinture automobile.

ⁱ Norme DIN 91143-2 Méthodes d'essai rhéologiques modernes – Partie 2 : Thixotropie - Détermination du changement structurel dépendant du temps - Fondamentaux et essai interlaboratoires (2012) ⁱⁱ ISO 3219/WD 3219-1 : Termes généraux et définitions pour la rhéométrie rotationnelle et oscillatoire (2019) ⁱⁱⁱ Mewis, J; Wagner, N J (2009). "Thixotropie". Avancées en science des colloïdes et des interfaces. 147-148, 214-227 ^iv Mezger, T. (2014). Le Manuel de Rhéologie. 4ème édition révisée. Hanovre : Vincentz Network. ^v Mezger, T.G. : Rhéologie Appliquée, 2018 (5ème édition). ^vi ASTM D2196-10 : Méthodes d'essai standard pour les propriétés rhéologiques des matériaux non newtoniens par viscosimètre rotatif (type Brookfield) ^vii Basu, S. ; Shivhare, US. ; Raghavan, GSV. (2007) Caractéristiques rhéologiques dépendantes du temps de la confiture d'ananas. Revue internationale d'ingénierie alimentaire 3, 3 ^viii Shapiro, I. (1946) La valeur de cisaillement caractéristique : Un coefficient de dégradation thixotrope. J. Am. Chem. Soc. 68 (10), 2122 – 2123