Introduction
Lorsque les matériaux viscoélastiques sont déformés, ils subissent une déformation tridimensionnelle qui peut être décrite par un tenseur (3x3) (voir figure 1).
Le tenseur contient trois contraintes normales, σxx, σyy, σzz. Les six autres tenseurs sont des contraintes de cisaillement. Si le comportement visqueux domine (c'est-à-dire si le fluide s'écoule), il n'y a qu'une seule composante de contrainte de cisaillement et les autres peuvent être ignorées.
La première différence de contrainte normale peut être définie comme suit :
Où σxx est la contrainte agissant dans la direction du cisaillement appliqué et σyy est la contrainte agissant dans la direction de la force normale. Dans une expérience rhéologique, la poussée vers le haut sur la géométrie et le roulement est la force normale (qui est dans la direction axiale). Les différences de contraintes normales dépendent généralement plus du taux de cisaillement que la contrainte de cisaillement et peuvent montrer des augmentations significatives avec l'augmentation du taux de cisaillement.
En plus de N1, nous pouvons également définir le premier coefficient de contrainte normale qui peut être considéré comme un équivalent viscoélastique de la viscosité et qui dépend du taux de cisaillement ý selon l'équation suivante.
Les différences de contraintes normales sont associées à des effets non linéaires et résultent de l'anisotropie de la microstructure sous-jacente dans les conditions d'écoulement. Effets rhéologiques normaux tels que l'effet Weissenberg ou "rodclimbing", l'effet "die-swell" ou "post-extrusion swell", etc.
Une gamme de produits large, y compris les polymères fondus, les solutions, les systèmes de tensioactifs et les émulsions, peut présenter des contraintes normales. Dans la majorité des cas, les contraintes normales sont positives, mais des contraintes normales négatives ont également été signalées dans certains cas, par exemple dans les gels lamellaires.
La meilleure géométrie à utiliser pour mesurer correctement la première différence de contrainte normale est la géométrie du cône et de la plaque, car elle offre un taux de cisaillement constant sur l'ensemble de l'échantillon et la poussée vers le haut est due à N1 uniquement.
Expérimental
- Le comportement viscoélastique non linéaire d'un gel douche a été évalué.
- Les mesures au rhéomètre rotatif ont été effectuées à l'aide d'un rhéomètre Kinexus équipé d'une cartouche à plaque Peltier et d'un système de mesure à plaque conique1, et en utilisant des séquences standard préconfigurées dans le logiciel rSpace.
- Une séquence de chargement standard a été utilisée pour s'assurer que les deux échantillons étaient soumis à un protocole de chargement cohérent et contrôlable.
- Toutes les mesures rhéologiques ont été effectuées à 25°C.
- La courbe d'écoulement a été générée à l'aide d'un tableau d'équilibre des taux de cisaillement testés entre 0,1 et 1000 s-1 et la force normale a été déterminée.
Résultats et discussion
La figure 2 montre la courbe de viscosité en fonction du taux de cisaillement pour le gel douche. Ce produit peut être considéré comme un liquide à dilution par cisaillement puisqu'il présente un comportement newtonien à de faibles taux de cisaillement, suivi d'une chute rapide de la viscosité au-dessus d'un taux de cisaillement critique. Au-dessus de ce taux critique, il y a également une augmentation apparente de la force normale résultant d'un comportement viscoélastique non linéaire causé par la tension dans la microstructure déformante.
Ceci est plus évident lorsque les contraintes de cisaillement et les contraintes normales sont comparées directement, comme dans la figure 3. Cela montre que la contrainte normale dépasse la contrainte de cisaillement au point où la contrainte de cisaillement devient constante. Cela correspond à un comportement d'écoulement à dominante élastique et explique pourquoi les produits de lavage corporel structurés par des tensioactifs semblent "très élastiques" et "filandreux" lorsqu'ils sont utilisés. Finalement, ce comportement élastique dominant conduira à des instabilités d'écoulement à des taux de cisaillement élevés et l'échantillon sortira de l'espace de mesure.
La figure 4 montre le premier coefficient de contrainte normale ψ1 tracé à côté de la viscosité de cisaillement. Les deux coefficients présentent des formes similaires, mais comme ψ1 est proportionnel à ý[1], il est inférieur à η dans ce cas et présente un gradient plus abrupt. Il peut être utile de comparer ψ1 ou N1 ainsi que la viscosité pour les matériaux viscoélastiques, en particulier si le matériau est hautement viscoélastique et si l'application ou le processus dans lequel le matériau est utilisé est susceptible de générer des tensions dans les lignes de courant.
Conclusion
Le comportement viscoélastique non linéaire d'un matériau Non-newtonienUn fluide non newtonien est un fluide dont la viscosité varie en fonction du taux de cisaillement ou de la contrainte de cisaillement appliquée.non newtonien peut être déterminé en mesurant la force normale en fonction du taux de cisaillement à l'aide d'un système de mesure à plaque conique. La première différence de contrainte normale et le premier coefficient de contrainte normale, qui sont équivalents à la contrainte de cisaillement et à la viscosité de cisaillement respectivement, peuvent également être calculés.
1Veuilleznoter que les tests doivent être effectués à l'aide d'un système de mesure à plaque conique.