Introduction
Les mesures d'oscillation, qui peuvent être effectuées avec le rhéomètre rotatif Kinexus, sont utilisées pour caractériser les propriétés viscoélastiques des matériaux, par exemple des solides mous tels que des gels ou des pâtes, ou des fluides complexes tels que des polymères, des émulsions ou des suspensions. Dans ces expériences, une déformation sinusoïdale par cisaillement (contrôlée par la déformation) ou une contrainte de cisaillement (contrôlée par la contrainte) est appliquée, et la réponse du matériau est ensuite analysée.
Les principaux paramètres obtenus sont les suivants
- Le module de cisaillement de stockage (G'), qui donne des informations sur le comportement "solide" d'un matériau.
- Module de cisaillement de perte (G"), lié au comportement "liquide" d'un matériau.
- Angle de phase (δ) : Ce paramètre indique le décalage entre la contrainte et la déformation appliquées, facilitant ainsi la détermination du comportement du matériau comme étant soit celui d'un solide (δ ≈ 0°), soit celui d'un liquide (δ ≈ 90°).
Balayage d'amplitude : Détermination de la région viscoélastique linéaire (LVER)Viscoélastique Linéaire)
Les mesures oscillatoires sont généralement effectuées dans la Région viscoélastique linéaire (LVER)Dans le LVER, les contraintes appliquées ne sont pas suffisantes pour provoquer une rupture de la structure, ce qui permet de mesurer d'importantes propriétés micro-structurelles.région viscoélastique linéaire (LVER), où la structure du matériau n'est pas affectée par la déformation appliquée. La Région viscoélastique linéaire (LVER)Dans le LVER, les contraintes appliquées ne sont pas suffisantes pour provoquer une rupture de la structure, ce qui permet de mesurer d'importantes propriétés micro-structurelles.LVER est déterminée au moyen d'un balayage d'amplitude. Ce test détermine l'amplitude maximale de déformation qui peut être utilisée sans entraîner une rupture de la structure du matériau pour une fréquence et une température définies.
Dans le cadre du Région viscoélastique linéaire (LVER)Dans le LVER, les contraintes appliquées ne sont pas suffisantes pour provoquer une rupture de la structure, ce qui permet de mesurer d'importantes propriétés micro-structurelles.LVER, les fréquences d'oscillation d'entrée et de sortie sont identiques (voir figure 1).
En revanche, au-delà du Région viscoélastique linéaire (LVER)Dans le LVER, les contraintes appliquées ne sont pas suffisantes pour provoquer une rupture de la structure, ce qui permet de mesurer d'importantes propriétés micro-structurelles.LVER, l'excitation par une onde de cisaillement sinusoïdale entraîne une réponse non sinusoïdale (figure 2). L'oscillation d'entrée (par exemple, avec une fréquence de base de 1 Hz) se décompose en oscillations de différentes fréquences harmoniques ; voir figure 3.
La distorsion harmonique est définie comme suit :
I1: Amplitude de la fréquence d'entrée
In: Amplitude de la nième composante harmonique de la réponse oscillatoire
Une distorsion harmonique de 0 % signifie une linéarité parfaite du signal. Ce paramètre peut être affiché dans le logiciel de mesure et d'évaluation Kinexus, rSpace, pour vérifier l'exactitude des données oscillatoires.
Distorsion harmonique minimale (HD) = Meilleur rapport signal/bruit
Un exemple est illustré à la figure 4 : les courbes du module de cisaillement élastique (G', rouge), du module de cisaillement visqueux (G'', bleu), de l'amplitude de la contrainte de cisaillement (σ, vert) et de la distorsion harmonique (HD, noir) au cours d'un balayage d'amplitude. La contrainte de cisaillement, γ, détectée au minimum de HD correspond à la déformation pour un rapport signal/bruit optimal. Cette valeur peut être utilisée pour les mesures oscillatoires suivantes (balayage de fréquence, balayage de température, etc.).
Distorsion harmonique pour vérifier la linéarité en cas d'augmentation de la température ou de la fréquence
La Région viscoélastique linéaire (LVER)Dans le LVER, les contraintes appliquées ne sont pas suffisantes pour provoquer une rupture de la structure, ce qui permet de mesurer d'importantes propriétés micro-structurelles.région viscoélastique linéaire (LVER) dépend des conditions de mesure telles que la fréquence et la température. Dans un balayage d'amplitude, ces paramètres sont maintenus constants pour déterminer la déformation appropriée dans la zone viscoélastique linéaire. En revanche, lors d'un balayage de fréquence, la fréquence varie tout au long de l'essai et la zone viscoélastique linéaire peut changer en conséquence. Pour s'assurer que le matériau reste à l'intérieur de la Région viscoélastique linéaire (LVER)Dans le LVER, les contraintes appliquées ne sont pas suffisantes pour provoquer une rupture de la structure, ce qui permet de mesurer d'importantes propriétés micro-structurelles.LVER sur toute la plage de fréquences, le signal de distorsion harmonique peut être surveillé comme indicateur du comportement linéaire.
Conclusion
La distorsion harmonique est un signal important à vérifier si des mesures d'oscillations sont effectuées dans la Région viscoélastique linéaire (LVER)Dans le LVER, les contraintes appliquées ne sont pas suffisantes pour provoquer une rupture de la structure, ce qui permet de mesurer d'importantes propriétés micro-structurelles. région viscoélastique linéaire. Il concerne le domaine des polymères ainsi que le domaine alimentaire et pharmaceutique :
- Thermoplastiques : La détermination de la Région viscoélastique linéaire (LVER)Dans le LVER, les contraintes appliquées ne sont pas suffisantes pour provoquer une rupture de la structure, ce qui permet de mesurer d'importantes propriétés micro-structurelles.LVER est cruciale pour capturer uniquement les propriétés intrinsèques du matériau pendant les balayages de fréquence ou de température des polymères et des plastiques. Si les mesures sont prises en dehors de la Région viscoélastique linéaire (LVER)Dans le LVER, les contraintes appliquées ne sont pas suffisantes pour provoquer une rupture de la structure, ce qui permet de mesurer d'importantes propriétés micro-structurelles.LVER, des changements structurels supplémentaires tels que l'orientation de la chaîne, les démêlages ou même des dommages au réseau de polymères peuvent se produire. Cela entraînerait une distorsion des données de mesure et rendrait l'évaluation des études de traitement ou de vieillissement peu fiable.
- Thermodurcissables, revêtements et adhésifs : Ces systèmes contiennent souvent des réseaux sensibles de polymères ou de charges qui peuvent être détruits en cas de contrainte excessive. Si le Région viscoélastique linéaire (LVER)Dans le LVER, les contraintes appliquées ne sont pas suffisantes pour provoquer une rupture de la structure, ce qui permet de mesurer d'importantes propriétés micro-structurelles.LVER n'est pas pris en compte, les matériaux apparaissent soit trop mous, soit trop durs, ce qui peut conduire à des décisions erronées dans la conception des applications et des processus (par exemple, des fenêtres de viscosité incorrectes pour l'application ou des prévisions inexactes de l'adhésion).
- Aliments (gels, émulsions, graisses à tartiner) : Ici, il est particulièrement important de ne pas détruire la microstructure fragile (par exemple, les réseaux d'émulsion, les gels de protéines, les cristaux de graisse) par un cisaillement excessif. Les mesures effectuées en dehors du Région viscoélastique linéaire (LVER)Dans le LVER, les contraintes appliquées ne sont pas suffisantes pour provoquer une rupture de la structure, ce qui permet de mesurer d'importantes propriétés micro-structurelles.LVER pourraient, par exemple, briser un gel ou réarranger des cristaux de graisse, ce qui donnerait à la texture une apparence "artificiellement" plus douce qu'elle ne l'est en réalité. Cela aurait des conséquences directes sur le développement des produits et le contrôle de la qualité, car la stabilité, la sensation en bouche ou l'aptitude à l'étalement seraient mal évaluées.
- Formulations pharmaceutiques (par exemple, crèmes, pâtes, suspensions) : Ici aussi, l'intégrité structurelle est essentielle, en particulier lors de l'évaluation de la stabilité au stockage ou de la libération d'ingrédients actifs. Si les mesures sont effectuées en dehors du Région viscoélastique linéaire (LVER)Dans le LVER, les contraintes appliquées ne sont pas suffisantes pour provoquer une rupture de la structure, ce qui permet de mesurer d'importantes propriétés micro-structurelles.LVER, le cisaillement peut modifier la structure des particules ou des supports, ce qui entraîne une mauvaise évaluation des propriétés d'écoulement et d'application. Dans le pire des cas, cela pourrait avoir un impact sur l'efficacité ou la sécurité du patient.
Le facteur de distorsion garantit que les études rhéologiques sont effectuées dans une plage où la structure du matériau reste intacte. Cela évite que la mesure elle-même ne fausse le résultat - une condition préalable pour obtenir des données fiables, comparables et pertinentes pour la pratique.