Introduction
Si la plupart des suspensions et des matériaux structurés par des polymères s'amincissent sous l'effet du cisaillement, certains matériaux peuvent également présenter un comportement d'épaississement sous l'effet du cisaillement, la viscosité augmentant avec l'accroissement du taux de cisaillement ou de la contrainte de cisaillement. Ce phénomène est également souvent appelé dilatation et, bien qu'il s'agisse d'un mécanisme spécifique d'épaississement par cisaillement, les termes sont souvent utilisés de manière interchangeable. Dans la plupart des cas, l'épaississement par cisaillement se produit sur une décennie de taux de cisaillement et il peut y avoir une région d'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 à des taux de cisaillement plus faibles et plus élevés.
En général, les dispersions ou les suspensions particulaires à forte concentration de particules solides, les pâtes, les polymères associatifs tels que les polymères HASE, HEUR, etc. présentent un épaississement par cisaillement. Les matériaux présentant un épaississement par cisaillement sont beaucoup moins courants dans les applications industrielles que les matériaux présentant un 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 ; cependant, lorsqu'ils présentent un épaississement par cisaillement, les matériaux peuvent entraîner de graves problèmes de traitement. Les matériaux qui subissent des changements microstructuraux ou d'orientation lors de l'application du cisaillement, qui conduisent à une résistance accrue à l'écoulement, auront tendance à présenter un épaississement par cisaillement.
Pour les suspensions, cela se produit généralement dans les matériaux qui présentent un 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 à des taux de cisaillement et des contraintes de cisaillement inférieurs. À une contrainte ou un taux de cisaillement critique, le régime d'écoulement organisé responsable de 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 est perturbé et la formation d'"hydro-cluster" ou "jamming" peut se produire. Il en résulte une réponse transitoire de type solide et une augmentation de la viscosité observée. L'épaississement par cisaillement peut également se produire dans les polymères, en particulier les polymères amphiphiles, qui, à des taux de cisaillement élevés, peuvent s'ouvrir et s'étirer, exposant des parties de la chaîne capables de former des associations intermoléculaires transitoires.
Mathématiquement, le comportement d'épaississement par cisaillement peut être modélisé à l'aide du modèle powerlaw :
Où
k est la consistance
n est l'indice de loi de puissance
σ est le taux de cisaillement,
-γ est le taux de cisaillement.
Avec n supérieur à 1 pour les fluides épaississant par cisaillement.
Il convient de noter qu'une augmentation de la viscosité à des taux de cisaillement élevés peut se produire en raison d'autres phénomènes tels que la turbulence du fluide. Cet effet, cependant, a tendance à se produire avec des fluides de faible viscosité et peut être prédit à partir des calculs du nombre de Reynolds
Expérimental
- Le comportement d'épaississement par cisaillement d'un mélange de suspension amidon de maïs/eau à 75 % p/p a été évalué en effectuant un test de table de taux de cisaillement et en analysant la courbe résultante par l'ajustement d'un Modèle de la loi de puissanceLe modèle de la loi de puissance est un modèle rhéologique courant pour quantifier (généralement) la nature de l'amincissement par cisaillement d'un échantillon, la valeur la plus proche de zéro indiquant un matériau qui s'amincit davantage par cisaillement.modèle de loi de puissance.
- Les mesures au rhéomètre rotatif ont été effectuées à l'aide du rhéomètre rotatif Kinexus équipé d'une cartouche à plaque Peltier et d'un système de mesure à plaque parallèle rugueuse, 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 100 s-1 et d'un Modèle de la loi de puissanceLe modèle de la loi de puissance est un modèle rhéologique courant pour quantifier (généralement) la nature de l'amincissement par cisaillement d'un échantillon, la valeur la plus proche de zéro indiquant un matériau qui s'amincit davantage par cisaillement.modèle de loi de puissance ajusté à une partie de cette courbe sélectionnée manuellement.
Résultats et discussion
La figure 1 montre le profil de viscosité en fonction du taux de cisaillement pour la dispersion d'amidon de maïs. À de faibles taux de cisaillement, l'échantillon présente un comportement d'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 ; cependant, à un taux de cisaillement critique d'environ 8 s-1, on observe une forte augmentation de la viscosité, caractéristique d'un comportement d'épaississement par cisaillement. En ajustant un Modèle de la loi de puissanceLe modèle de la loi de puissance est un modèle rhéologique courant pour quantifier (généralement) la nature de l'amincissement par cisaillement d'un échantillon, la valeur la plus proche de zéro indiquant un matériau qui s'amincit davantage par cisaillement.modèle de loi de puissance aux données entre 0,15 s-1 et 6,5 s-1, la valeur rapportée pour l'indice de loi de puissance(n) est de 0,57, confirmant ainsi le comportement d'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(n<1). En ajustant le même modèle aux données entre 10 s-1 et 20 s-1, la valeur de n est de 3,01, ce qui indique un épaississement significatif du cisaillement(n>1).s.
Conclusion
Le mélange d'amidon de maïs et d'eau testé a présenté un fort comportement d'épaississement par cisaillement au-dessus de 8 s-1, comme le confirme l'indice de loi de puissance(n) qui a donné une valeur de 3 pour les données comprises entre 10 et 20 s-1.
A noter...
qu'une géométrie à plaque conique 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 taux de cisaillement et des contraintes plus faibles. L'utilisation d'un piège à solvant est également recommandée pour ces essais, car l'évaporation du solvant (par exemple, de l'eau) autour des bords du système de mesure