Introduction
Une émulsion est un système composé d'une phase liquide continue et d'une phase dispersée de gouttelettes liquides. Les deux types d'émulsions les plus courants sont les émulsions huile dans eau et les émulsions eau dans huile (figure 1). Dans une émulsion huile dans eau, la phase continue est de l'eau et la phase dispersée est de l'huile, tandis que dans une émulsion eau dans huile, la phase continue est de l'huile et la phase dispersée est de l'eau.
La transformation d'une émulsion eau dans huile en une émulsion huile dans eau dépend de la fraction volumique des deux phases et de l'émulsifiant. Un émulsifiant est un matériau qui stabilise une émulsion en s'adsorbant à l'interface entre l'huile et l'eau. Les surfactants sont la forme la plus courante d'émulsifiant, bien que les matériaux polymères et particulaires puissent souvent jouer un rôle similaire.
La rhéologie des émulsions tend à dépendre fortement de la fraction volumique de la phase dispersée ainsi que de la taille des gouttelettes. Les paramètres rhéologiques les plus importants sont la viscosité, la contrainte normale, la viscoélasticité et la limite d'élasticité.
La viscosité relative d'une émulsion diluée à faible nombre capillaire (de sorte que les gouttelettes ne se déforment pas) est donnée par l'expression suivante [1] :
et ηd est la viscosité de la phase dispersée et ηs est la viscosité du fluide en suspension. Ici, on suppose que l'émulsion ne s'amincit pas par cisaillement et que la viscosité sera donc la même à chaque taux de cisaillement. Pour des concentrations de gouttelettes plus élevées (Φ≥0,6), le système s'amincit par cisaillement et la viscosité relative à cisaillement nul est alors donnée par l'expression suivante :
Φm est la fraction de tassement maximale.
L'Effet de cisaillementLe type le plus courant de comportement non newtonien est l'amincissement par cisaillement ou l'écoulement pseudoplastique, où la viscosité du fluide diminue avec l'augmentation du cisaillement.amincissement par cisaillement devient plus prononcé lorsque la fraction volumique des gouttelettes augmente. Dans la référence [2], ce phénomène est pris en compte en ajustant Φm pour obtenir un meilleur ajustement à chaque taux de cisaillement.
Avec une augmentation supplémentaire de la fraction de volume, on peut arriver à une situation où les gouttelettes se bloquent, empêchant ainsi les particules de se déplacer l'une par rapport à l'autre. C'est dans cette situation que l'on considère que le système a une limite d'élasticité. Cette question est abordée dans une note d'application distincte.
Il convient également de noter que cette théorie associée suppose une émulsion simple et ne tient pas compte de la présence de modificateurs de rhéologie tels que les micro-gels réticulés, par exemple, qui ont un volume de phase considérable et auront un impact significatif sur le solvant et donc sur la rhéologie de l'émulsion.
Pour vérifier expérimentalement cette théorie pour un système d'émulsion donné, il est nécessaire de déterminer la viscosité à cisaillement nul d'une émulsion à différentes concentrations de gouttelettes, puis de calculer la viscosité relative à cisaillement nul pour chaque concentration en utilisant la viscosité du milieu en suspension. La relation tracée entre la viscosité relative de cisaillement zéro et la concentration devrait indiquer si la théorie ci-dessus se rapproche ou non du comportement du système d'émulsion étudié. Les données peuvent être extraites et analysées afin d'étudier l'adéquation exacte avec les modèles ci-dessus. La même séquence peut également être utilisée pour étudier l'impact de la modification de la taille des gouttelettes sur la viscosité.
Expérimental
- Ce test existe sous la forme d'une séquence préconfigurée dans le logiciel rSpace qui est conçu pour fonctionner sur un rhéomètre rotatif Kinexus1.
- La séquence exécute un tableau des contraintes de cisaillement et ajuste ensuite un modèle d'Ellis aux données pour déterminer η0 et ensuite ηr,0
- Cette opération est répétée pour un certain nombre de concentrations et un tracé de ηr,0 en fonction de la concentration est obtenu, qui peut ensuite être exporté et analysé en dehors du logiciel.
A noter...
qu'une géométrie à plaques parallèles ou une géométrie cylindrique peut également être utilisée. Une géométrie sablée doit être envisagée si le matériau est susceptible de présenter des effets de glissement de paroi. Les géométries plus grandes sont utiles pour les mesures à des couples faibles, qui sont plus susceptibles d'être rencontrés à des fréquences plus basses. L'utilisation d'un piège à solvant est également recommandée pour ces essais, car l'évaporation du solvant (par exemple, l'eau) autour des bords du système de mesure peut invalider l'essai, en particulier lorsque l'on travaille à des températures élevées.