Rhéomètre
Un rhéomètre est un appareil de laboratoire capable de faire des mesures relatives à la rhéologie d'un matériau, qui est l'étude de la déformation et de l'écoulement de la matière sous l'effet d'une contrainte extérieure.
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Instrument de mesure mécanique - Équipement de laboratoire - Rhéologie - Mécanique des fluides - Polymère - Plasturgie
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Un rhéomètre est un appareil de laboratoire capable de faire des mesures relatives à la rhéologie (du grec rheo, couler et logos, étude) d'un matériau, qui est l'étude de la déformation et de l'écoulement de la matière sous l'effet d'une contrainte extérieure. Il applique un cisaillement à l'échantillon. Le plus souvent de faible dimension caractéristique (très faible inertie mécanique), il permet d'observer la façon dont s'écoule un liquide, une suspension ou une pâte en réponse à une force appliquée.
Mesures
Un rhéomètre est plus particulièrement élaboré qu'un viscosimètre. En effet, il sert à déterminer les propriétés viscoélastiques de la matière, qui dépendent surtout de la température, de la vitesse angulaire (ω) et du temps :
- viscosité (en fonction de la température, du temps, du taux de cisaillement, etc. ) et viscosité complexe ;
- module de cisaillement complexe G* (accès aux modules viscoélastiques G'et G") et complaisance complexe ;
- angle de phase (δ) et facteur d'amortissement (tan δ), pour la détermination de transitions.
L'appareil permet surtout d'évaluer le seuil d'écoulement selon Bingham (relié à l'application du produit), la thixotropie, la stabilité des mesures de viscosité sous cisaillement, le fluage, la recouvrance, la relaxation de contrainte, la dégradation[1].
Il décrit le comportement de l'échantillon à l'état liquide (plus ou moins visqueux) ou pâteux.
Le rhéomètre permet d'étudier l'effet des propriétés des particules d'une suspension [concentration (fraction volumique Φ) (équation de Krieger-Dougherty), taille, distribution de taille, forme et charge des particules] sur les propriétés rhéologiques.
Construction
On peut distinguer plusieurs types de rhéomètre, dont :
- rotationnel à cylindres coaxiaux, appelé aussi géométrie de type couette (exemples : rhéomètre de Couette, de Searle) ; entrefer d'environ 1 mm ; adapté aux échantillons fluides ; les entrefers (grande surface de contact, pour augmenter le couple) permettent des mesures sur des échantillons de très faible viscosité ; grandes inerties mécanique (ce qui limite la gamme de fréquence en oscillation) et thermique ; nettoyage quelquefois long (démontage) ;
- rotationnel cône-plan (CP) ; angle θ de 1 à 4°, avec entrefer de 30 à 150 µm ; le cisaillement est constant dans l'entrefer ; inadapté aux échantillons avec des grosses particules ; nettoyage rapide ;
- rotationnel plan-plan (PP, jeu de plateaux parallèles) ; entrefer d'environ 1 mm ; le cisaillement n'est pas constant dans l'entrefer ; nettoyage rapide ;
- capillaire haute pression (peu répandu, nettoyage long, prix élevé).
Pour les types CP et PP, un plan est fixe (stator), l'autre partie tourne ou oscille (rotor) à une faible distance, l'échantillon en faible quantité remplissant l'entrefer réglable.
Les rhéomètres rotationnels mesurent la résistance de l'échantillon entre le rotor et le stator. Ils peuvent fonctionner en mode oscillation, dans lequel l'échantillon est soumis à une charge sinusoïdale (vitesse angulaire ω) dans le domaine linéaire de viscoélasticité, ce qui permet d'accéder aux propriétés viscoélastiques.
Un logiciel permet la programmation et le contrôle des paramètres [isotherme ou profils (association de rampes et de paliers) de température, de contrainte de cisaillement, ou de gradient de vitesse (cisaillement) ], la sauvegarde et le traitement des données.
Application
Les rhéomètres sont en particulier utilisés pour la recherche et le développement, par exemple en formulation d'adhésifs, d'huiles, de bitumes, de peintures, de cosmétiques, ou le suivi de réticulation d'une résine thermodurcissable (mesure du temps de gel).
Note
- A titre d'exemple, la dégradation à l'état solide d'un polymère étudié en rhéologie à l'état «fondu» (état fluide ou déformable).
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