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Viscosité, Rhéologie & Confusion

Dans la grande majorité des industries, fabriquer des produits implique de faire subir à la matière une succession de transformations pour lui conférer certaines fonctionnalités et formes. Les différentes matières sont ainsi susceptibles de passer par des états poudres, fluide, pâteux, gélifiés, émulsionnés, solides, etc.

Parmi ces transformations, la capacité de la matière à s’écouler (sa rhéologie) dans les tuyaux, les mélangeurs, les pompes ou les dispositifs d’application est une question industrielle cruciale. De nombreuses techniques instrumentales visent à quantifier cette propension de la matière à l’écoulement, souvent source de perplexité et de confusion.

La viscosité, un concept qui coule de source ?

Dans la vie courante, on utilise généralement le concept de viscosité, associé à une perception sensorielle intuitive de « consistance », pour parler de la capacité à s’écouler. Observer les mouvements du miel, de l’eau ou d’un jus de fruit et les classer par viscosités croissantes en observant leur consistance ne pose pas de difficulté de principe.

En réalité, le concept présente certaines subtilités qu’il est absolument indispensable de cerner pour comprendre la variété des comportements des matières dans le contexte industriel. Malheureusement, et c’est une des premières causes de confusion, il faut atteindre dans la plupart des cursus scientifiques et techniques un niveau Master 2 pour que soient seulement évoqués l’existence de ces raffinements.

Constante intrinsèque ou fonction ?

Dans une définition moins intuitive et plus scientifique, la viscosité est souvent définie comme la résistance à l’écoulement du fait des frictions internes à la matière. Une telle définition permet notamment de justifier l’observation qu’un fluide auquel on ajoute des macromolécules tend à épaissir et voir sa viscosité augmenter. Dans cette définition, la viscosité est une propriété spécifique du produit concerné. Ainsi, il est communément admis que l’eau, l’éthanol, le sirop de framboise ont une certaine valeur caractéristique de viscosité.

En réalité, la viscosité est une fonction de la température. On rapporte que dès l’antiquité, à l’époque de l’utilisation de la clepsydre, égyptiens et chinois avaient noté qu’en hiver il fallait réchauffer l’eau dans la clepsydre pour maintenir le cours du temps …

De nos jours, la plupart des mesures normatives imposent des mesures à température fixée, certaines recommandant des mesures à plusieurs températures.

Mais la viscosité n’est dans de nombreux cas pas seulement une fonction de la température, elle dépend aussi des conditions dans lesquelles la matière est mise en mouvement.

Fluides newtoniens et non-newtoniens

Pour nous représenter cette idée, imaginons un nageur en plein crawl. Si la viscosité de l’eau dépendait des conditions dans lesquelles le nageur déploie son mouvement, celui-ci serait susceptible de ressentir une viscosité plus élevée ou plus faible selon son effort. Heureusement pour le nageur, et pour les populations en général, il n’en est rien. La viscosité de l’eau est indépendante des contraintes qui lui sont imposées : l’eau est un liquide que l’on qualifie de newtonien.

Par contre, si nous plongeons notre nageur dans une solution de maïzena suffisamment concentrée, plus il cherchera à aller vite, plus la solution deviendra épaisse, quasiment solide même, venant ainsi contrer son effort et rendre sa nage laborieuse sinon impossible. La solution de maïzena concentrée est dite non-newtonienne : sa viscosité dépend des contraintes qui lui sont imposées. (En l’occurrence, la maïzena concentrée est dite rhéo-épaississante : plus les contraintes imposées sont fortes, plus sa viscosité augmente)

La grande majorité des produits industriels constitués de macromolécules en quantités suffisantes -ce qui est le cas des formulations- ont des comportements non-newtoniens. Ces effets sont d’ailleurs exploités en tant que tel dans de nombreuses applications, qu’il s’agisse des propriétés rhéofluidifiantes des peintures, des encres ou de propriétés filantes de certains huiles lubrifiantes.

La viscosité des fluides non-newtoniens n’est pas une propriété intrinsèque

Au niveau scientifique, le concept de viscosité et les modèles théoriques ont été progressivement ébauchés depuis le XIXè siècle pour décrire ces matières dont les comportements empruntent à la mécanique des solides autant qu’à celle des fluides.

Pourtant, comme on l’observe souvent dans les usages des concepts scientifiques, les définitions modernes ne remplacent jamais tout à fait l’utilisation traditionnelle ou intuitive.

Il s’agit donc d’insister sur cette implication fondamentale et largement sous-estimée de cette propriété des fluides en général : puisque la viscosité d’un fluide non-newtonien dépend des conditions dans lesquelles il s’écoule, alors toute mesure d’un tel fluide basée sur une mise en écoulement vient mesurer une quantité fonction (implicitement ou non) des conditions concrètes de la mise en œuvre de la mesure.

Dit autrement, mesurer LA viscosité d’un fluide non-newtonien est un pur abus de langage, et les conséquences industrielles de ce malentendu peuvent être coûteuses.

La foire aux instruments et aux viscosités

L’étude, initialement dans un cadre de recherche, de ces fluides non-newtoniens a imposé le développement de techniques instrumentales de plus en sophistiquées pour mesurer des valeurs de viscosités dans des conditions de mise en œuvre précises.

Pour autant, on trouve toujours dans le commerce une multitude de dispositifs revendiquant tous la capacité à mesurer des valeurs de viscosité :  des coupes de viscosité ou consistométriques, des viscosimètres capillaires, des viscosimètres à aiguille, des viscosimètres de Couette, des rhéomètres, des rhéomètres capillaires et bien d’autres. Autant dire que le business de l’instrumentation ne contribue pas vraiment à clarifier la situation.

Le catalogue est dense, à l’image de la pléthore de standards normatifs sectoriels recommandant tel ou tel dispositif. Le concept du millefeuille n’est pas réservé à la législation ou l’administration : le corpus des normes et standards n’a rien à lui envier.

Pour ajouter encore à la complexité, certains dispositifs font référence à une mesure de viscosité cinématique, d’autres de viscosité dynamique -notions dont la théorie indique pourtant qu’elles sont équivalentes au facteur de densité près. On entend aussi parler de viscosité apparente -vocable curieux suggérant que derrière les apparences se cacherait autre chose. Une viscosité absolue ?!…

De l’imbroglio à la confusion

Les notions liées à la viscosité et la rhéologie en deviennent obscures tant les sens des mots varient selon les sources.

Un tel imbroglio peut paraître étonnant à première vue, mais nous montrerons dans un prochain article qu’il semble s’expliquer par l’historique des développements des concepts et des techniques instrumentales depuis bientôt deux siècles.