Témoignage de réussite d'un client
Chimie supramoléculaire : Du contrôle des odeurs à l'optimisation de la récupération du pétrole : Comment les rhéomètres NETZSCH peuvent aider
Un rapport de terrain par Andrew Howe
"Je suis Andrew Howe, un scientifique industriel spécialisé dans les colloïdes, la formulation et les matières molles, qui aime travailler avec les rhéomètres NETZSCH et leurs prédécesseurs directs, Malvern et Bohlin, depuis 1988.
Les rhéomètres s'avèrent inestimables pour la conception de matériaux en vue d'une efficacité maximale dans les processus de fabrication et d'une performance optimale des produits finis. J'ai utilisé les données rhéométriques pour formuler des procédés de revêtement et de séchage rapides et efficaces chez mon ancien employeur, Kodak, et pour optimiser le déplacement des fluides dans les géométries poreuses chez Schlumberger.
Aujourd'hui, je travaille à Aqdotune entreprise née à l'Université de Cambridge en 2013. Aqdot commercialise une technologie de chimie supramoléculaire via les cucurbiturils (ou "CBs"), des molécules macrocycliques qui sont des "hôtes" supramoléculaires d'une efficacité unique. Les CBs lient de manière non covalente une grande variété d'"invités", en particulier des groupements hydrophobes, acides, basiques et cationiques.
De nombreux travaux universitaires ont été menés sur les homologues des CB (CB[6], CB[7] et CB[8]), mais les matériaux n'étaient disponibles qu'à l'échelle du gramme - et encore, à grands frais - jusqu'à présent."
Contrôle innovant des odeurs à l'échelle Large
"Aqdot a porté la fabrication de CB à une échelle de plusieurs tonnes et le marché immédiat de ce matériau à l'échelle large est l'élimination des odeurs désagréables et des COV (composés organiques volatils). La technologie permet de lier des molécules de tailles et de caractéristiques moléculaires différentes.
L'approche d'Aqdot consiste à octroyer des licences et à fournir ses produits à des marchés actifs, notamment les produits d'hygiène et d'entretien, les textiles et les plastiques, en particulier pour les applications automobiles. Le fait de travailler sur un si grand nombre de marchés a pour conséquence que les produits doivent être intégrés de manière transparente dans de nombreux types de formulations, et les mesures rhéologiques sont un excellent indicateur de notre réussite, car elles nous donnent des indications sur les ajustements à apporter, le cas échéant.
La rhéologie fournit des informations uniques
Chaque fois qu'il s'agit d'une formulation "molle" (pas purement solide), le rhéomètre fournit des informations uniques. L'un des grands avantages de la rhéologie est qu'elle ne nécessite pas de dilution de l'échantillon, c'est-à-dire que les matériaux peuvent être étudiés à des concentrations cibles.
Les questions les plus courantes sont les suivantes :
- Le matériau va-t-il s'écouler, va-t-il se mettre en suspension, est-il susceptible de se pulvériser, etc
- Quelle est la sensibilité de la matière à la concentration, au poids moléculaire, à la température et à la force Ionic?
- Chaque lot de produit est-il identique ?
Toutes ces questions peuvent généralement faire l'objet de mesures rhéométriques simples. Les résultats rhéologiques sont toujours directement utiles pour la conception des produits et l'optimisation des performances. Les mesures peuvent aider à restreindre les choix et à accélérer le développement, ainsi qu'à résoudre les problèmes.
Par exemple, les mesures rhéométriques ont été d'une grande importance dans le développement d'"Oderase", une formulation de désodorisant à base d'eau, sans parfum, utilisable par pulvérisation. Des expériences rhéologiques soigneusement choisies ont permis d'accélérer l'identification d'une composition aux propriétés et à la stabilité adéquates.
J'ai commencé à m'intéresser à la rhéologie lorsque j'ai rejoint Kodak. En 1988, nous avons choisi un rhéomètre rotatif Bohlin VOR, un instrument à DéformationLa Déformation décrit une déformation d’un matériau qui subit une contrainte ou une force mécanique externe. Les formulations d’élastomères présentent des propriétés de fluage, si une charge constante est appliquée.déformation contrôlée, comme instrument de travail. Depuis lors, la technologie des contraintes contrôlées a progressé rapidement, de sorte qu'après plusieurs versions des rhéomètres Bohlin CS (chez Kodak puis Schlumberger), j'ai été ravi que le conseil d'administration d'Aqdot approuve l'achat de deux rhéomètres Kinexus Pro+, les successeurs des instruments Bohlin.
“Le choix de ces instruments NETZSCH a été une décision facile à prendre. Les instruments ont d'excellentes spécifications (et, plus important encore, les respectent !). Les scientifiques et les ingénieurs de NETZSCH sont toujours très serviables, fournissant des solutions claires aux problèmes "faciles" et des suggestions perspicaces pour aider à surmonter les défis plus "novateurs" ou inédits.”
Le portefeuille de produits Kinexus Prime NETZSCH
Un service et une assistance à la clientèle exceptionnels
Le choix de ces instruments NETZSCH a été une décision facile à prendre. Les instruments ont d'excellentes spécifications (et, plus important encore, les respectent !). Il est également essentiel que NETZSCH maintienne un service et une assistance à la clientèle exceptionnels. Les scientifiques et les ingénieurs de NETZSCH sont toujours très serviables, fournissant des solutions claires aux problèmes "faciles" et des suggestions perspicaces pour aider à surmonter les défis plus "extrêmes" ou nouveaux.
Plus récemment, les webinaires ont fourni de bonnes informations et une aide directe plus générale aux utilisateurs, non seulement en répondant aux questions les plus courantes, mais aussi en mettant en évidence de nouvelles possibilités de déploiement des instruments.
J'ai été enchanté par le récent séminaire sur les artefacts rhéologiques : il est essentiel de comprendre les artefacts pour effectuer les meilleures mesures possibles et être en mesure de décrire, en toute confiance, les résultats à d'autres personnes.
Récupération assistée du pétrole par les polymères : Le comportement inhabituel de l'écoulement des solutions aqueuses de polymères de très haut poids moléculaire
Les mesures quotidiennes typiques impliquent à la fois un cisaillement continu (courbes d'écoulement) et oscillatoire (balayages de fréquence et de ContrainteLa Contrainte est définie par un niveau de force appliquée sur un échantillon d’une section bien définie. (Contrainte = force/surface). Les échantillons qui possèdent une section rectangulaire ou circulaire peuvent être comprimés ou étirés. Les matériaux élastiques comme les élastomères peuvent être étirés jusqu’à 5 à 10 fois leur longueur initiale.contrainte). Le fait de travailler dans l'industrie signifie que la majorité des mesures ne peuvent pas être divulguées. Cependant, avec Andrew Clarke et ses collègues de Schlumberger, nous avons publié une série d'articles sur le comportement inhabituel de l'écoulement de solutions aqueuses de polymères de très haute masse volumique dans des milieux poreux, l'application étant la récupération du pétrole brut[1]
Nos travaux ont suivi le phénomène précédemment observé, à savoir qu'avec des fluides contenant des polymères flexibles de très haute MW (>15 MDa), les contre-pressions augmentaient au-delà de celles correspondant à la viscosité de cisaillement au-dessus d'un débit critique : ce débit critique était accessible dans les conditions d'écoulement des champs pétrolifères. Nous avons confirmé que le débit critique était indépendant de la concentration en polymère, mais qu'il diminuait avec le carré de la MW du polymère. De telles dépendances sont tout à fait inattendues.des études microfluidiques ont indiqué que l'écoulement devenait instable au-dessus de ce débit critique. Nous avons pu reproduire l'instabilité de l'écoulement dans un écoulement par simple cisaillement, comme le montre la figure 1 pour un poly(acrylamide) partiellement hydrolysé à très haute teneur en MW (18-20 MDa).à faible vitesse, le comportement conventionnel (amincissement en loi de puissance newtonienne) est apparent et peut être ajusté avec un modèle Carreau-Yasuda, donnant un temps de relaxation lCY. Cependant, il y a un épaississement apparent à partir de 100s-1 qui, à première vue, semble surprenant.
Ce temps de relaxation plus court lt augmente (le taux d'apparition diminue) avec le carré de la masse molaire du polymère, ce qui est identique à ce que l'on observe dans l'écoulement de ces fluides à travers les carottes de roche (figure 2).
La viscosité à cisaillement nul h(0), les temps de relaxation pour le début de l'amincissement lCY et le passage G'=G" (losc) augmentent tous avec la concentration en polymèreC3, tandis que le début de l'épaississement à cisaillement élevé (rééchelonné comme lPM) et dans la roche (lcore) sont indépendants de la concentration (figure 3).
L'épaississement correspond à une transition vers un écoulement instable : dans les mesures de contrainte par paliers "en régime permanent", il y a une hystérésis dans la valeur apparente de la viscosité, tandis que dans la rampe de contrainte (0,3 s à chaque valeur de contrainte), l'écoulement est instable avec des valeurs fluctuantes de la viscosité "instantanée" (figure 4).
La transition vers un écoulement instable est cohérente avec la "turbulence élastique"[2], un phénomène associé à des polymères de très haute MW s'écoulant dans des lignes de courant courbes : les milieux poreux tels que les roches ont des structures très courbes, les géométries rhéométriques beaucoup moins. Cependant, même les faibles niveaux de courbure dans une géométrie de plaque conique sont suffisants pour générer un écoulement instable par ce mécanisme[3].
Les expériences avec les cônes 1o et 4o ont produit les données de chevauchement attendues à faible cisaillement, mais l'écoulement épaississant/instable à des taux élevés commence à des taux plus faibles avec le cône à plus grand angle.
Ce comportement est très différent des écoulements secondaires (tourbillons de Turian) qui apparaissent à des taux plus élevés lorsque la viscosité augmente : pour ces polymères, l'apparition d'un écoulement instable dépend de la MW, du taux et de l'angle du cône, mais pas de la viscosité.
Conclusion
Avant ces travaux, la compréhension de la récupération assistée du pétrole par les polymères était basée sur un simple comportement viscoélastique dans les milieux poreux. Ces études ont démontré que l'écoulement à l'équilibre n'est pas une description appropriée du comportement local : dans la turbulence élastique, le champ d'écoulement fluctue fortement autour de la moyenne en termes de direction et d'ampleur et, par conséquent, il est beaucoup plus efficace pour déplacer un fluide à haute viscosité piégé tel que le pétrole brut que ce que l'on pourrait attendre.
Ces données ont permis de comprendre pourquoi et dans quelles conditions les polymères de très haute masse volumique déplacent plus de pétrole que ne le prévoit leur comportement viscoélastique linéaire. Le rôle des mesures rhéométriques effectuées à l'aide de rhéomètres de haute qualité a été crucial dans l'acquisition de cette compréhension.
Remerciements :
Comme c'est souvent le cas, les discussions avec Adrian Hill et Shona Marsh (service clientèle du Royaume-Uni) ont permis d'orienter les conditions expérimentales optimales pour les études sur les contraintes de rampe et de palier ! Quant à Darren Tennant, il a veillé à ce que les rhéomètres soient en parfait état."
Andrew, merci beaucoup pour ces informations intéressantes sur vos travaux de recherche et pour la confiance que vous accordez à NETZSCH et à nos rhéomètres depuis des décennies !
[1] Mechanism of anomalously increased oil displacement with aqueous viscoelastic polymer solutions, A Clarke, A M Howe, J Mitchell, J Staniland, L Hawkes, K Leeper, Soft Matter, 2015, 11, 3536 - 3541.Viscoelastic Flow of concentrated viscoelastic polymer solutions in porous media. Effet du poids moléculaire du MW et de la concentration sur l'apparition de la turbulence élastique dans diverses géométries. A M Howe, A Clarke et D Giernalczyk, Soft Matter, (2015) 11 6419 - 6431.
Real-time oil-saturation monitoring in rock cores with low-field NMR J Mitchell A M Howe, A Clarke Journal of Magnetic Resonance, (2015) 256, 34-42
Polymer Flows and Elastic Turbulence in Three-Dimensional Porous Structures, J Mitchell, K Lyons, A M Howe and A Clarke, Soft Matter, 2016,12, 460-468.
How Viscoelastic Polymer Flooding Enhances Displacement Efficiency, A Clarke, A M Howe, J Mitchell, J Staniland, L A Hawkes ; SPE Journal, SPE-174654-MS, SPE Journal SPE J. 21 (03) : 0675-0687.
[2] Elastic turbulence in a polymer solution flow A Groisman and V Steinberg, Nature 405, 53 (2000).
efficient mixing at low Reynolds numbers using polymer additives A Groisman and V Steinberg, Nature 410, 905 (2001).
[3] Elastic instability and curved streamlines P Pakdel and G H McKinley, Physical Review Letters, 77, 2459, 1996.