Méthodes de mesures de la viscosité

La viscosité est une propriété de transport qui joue un rôle fondamental dans certains processus physico-chimiques tels que le transfert de chaleur et le transfert de matière, impliqués dans tous les procédés. En outre, elle est nécessaire pour la conception et l’optimisation de procédés de mise en forme de polymère tels que l’extrusion (Sauceau et al., 2007), le moussage (Jacobsen et Pierick, 2001, Tomasko et al., 2009 ; Reverchon et al., 2009) et la synthèse de nanoparticules (Vitoux et al., 2009). Ce paragraphe est consacré à la description des différentes méthodes de mesure de la viscosité sous pression La viscosité caractérise l’aptitude d’un fluide à s’écouler. Considérons l’écoulement d’un fluide entre deux plans parallèles et infinis : l’un des plans est immobile et l’autre se déplace à une vitesse uniforme sous l’action d’une force tangentielle Fy. Ce déplacement engendre un mouvement de cisaillement des couches de fluides les unes par rapport aux autres sans qu’il y ait transfert de matière. volumique du fluide (m3.s-1) et L est la longueur du tube. Cependant, pour une meilleure précision des mesures, il est nécessaire d’introduire des termes correctifs permettant de prendre en considération la variation d’énergie cinétique ainsi que les effets dus aux extrémités du capillaire. L’équation 1.43 devient ainsi : D’autres corrections peuvent être prises en compte dans l’équation 1.44, comme celles liées à la forme du capillaire si celui-ci est enroulé, au comportement non-newtonien et aux conditions d’écoulement du fluide. Le Tableau 1.14. regroupe un ensemble de travaux réalisés avec cette technique sous haute pression.

Ce type de viscosimètre convient bien pour la caractérisation de fluides peu visqueux. Cependant, Royer et al. (2001) et Nobelen et al. (2006) ont adapté cette technique pour la mesure de viscosité de polymères fondus saturés en CO2 en utilisant un capillaire à la sortie de la filière d’une extrudeuse. Le schéma de principe du dispositif (Extrusion Slit Die Rheometer) est représenté sur la Figure 1.35. En réalité, il est relativement difficile d’obtenir expérimentalement des nombres de Reynolds (Re) inférieurs à 1. Il est donc nécessaire d’apporter une correction (fc) sur la force de traînée en tenant compte des effets d’inertie et des effets de bord dus à la paroi du tube contenant le fluide, tel que : Rt est le rayon du tube. Cette équation 1.51 est justifiée au chapitre 2 par les relations 2.30 et 2.31. Dans la pratique, on mesure la vitesse terminale de chute par la mesure du temps de chute (t) de la bille sur une longueur L. La mesure s’effectue par l’utilisation de systèmes de détection (électromagnétique ou optiques) du passage de la bille. L’expression de la viscosité du fluide devient alors : ϕ est la constante d’appareillage déterminée par étalonnage avec un fluide de référence. Par ailleurs, un dispositif très original a été développé par Royer et al. (2002). Il consiste à mettre en lévitation une bille d’acier placée dans un tube et soumise à un champ magnétique. Le mouvement vertical du tube permet de générer un écoulement de cisaillement du fluide. Ainsi, la bille tendrait à se déplacer si aucune force n’était exercée à la surface de la bille. Le champ magnétique nécessaire pour maintenir en position fixe la bille est donc directement relié à la viscosité du fluide.

Viscosimètre à cylindre chutant Ce type de viscosimètre est composé d’un cylindre circulaire tombant sous l’influence de la gravité dans un tube cylindrique coaxial. En considérant un cylindre chutant à vitesse constante dans un tube rempli d’un fluide homogène, l’expression la viscosité du fluide en fonction de la longueur du tube et du temps de chute du cylindre est : mc est la masse du cylindre, ρc est la masse volumique du cylindre, Rc et Lc sont respectivement le rayon et la longueur du cylindre, Rt et Lt sont respectivement le rayon et la longueur du tube. ξ représente la constante de l’appareillage. En général, ξ est déterminé expérimentalement par étalonnage avec un fluide de référence. Le Tableau 1.16. regroupe un ensemble de travaux dédiés à la mesure de viscosité sous pression par chute de bille et de cylindre. 2008) Ces deux techniques sont particulièrement fiables et précises pour les mesures de faibles viscosités allant de 0,2 à 25 mPa.s d’après la littérature. En revanche, les viscosimètres à corps chutant ne conviennent pas pour la caractérisation de fluides fortement visqueux en raison des longs temps de chute que cela engendre. Par ailleurs, des mesures de masse volumique du fluide sont nécessaires pour calculer la viscosité.