Que peut un rhéomètre pour les questions industrielles ?

Le rhéomètre est généralement connu comme l’appareil de mesure des propriétés rhéologiques. La plupart des modèles commerciaux permettent de déterminer les évolutions de la viscosité en fonction du cisaillement (courbe d’écoulement ou rhéogramme, thixotropie) ainsi que les propriétés viscoélastiques.

Il est souvent moins connu que cette instrumentation permet de quantifier de nombreuses autres propriétés de comportement des matières et produits complexes (texture, changements de phase, dégradation, glissement, filant, collant,…), voire de mimer, reproduire, simuler expérimentalement des procédés ou des applications.

Le rhéomètre parmi les techniques instrumentales comportementales

Nous classons le rhéomètre dans la catégorie des techniques instrumentales comportementales, imposant des contraintes thermomécaniques au produit à tester pour en mesurer des réponses.

Le rhéomètre offre la possibilité, selon les modèles, d’imposer des contraintes de cisaillement rotationnel (en grandes ou petites déformations), de traction/compression (en grandes déformations par défaut, en petites déformations grâce à des modules de type DMA), de flexion ou torsion (moyennant des géométries adaptées).

Ainsi, il est possible grâce à cette machine d’imposer à un échantillon les différents types de contraintes mécaniques possibles en nature. Cet atout est majeur dès lors qu’il s’agit de « mimer » les phénomènes apparaissant dans les procédés et applications industrielles.

5 types de rhéométrie : rhéométrie conventionnelle, avancée, exotique, mesure couplée et micro-pilote instrumenté

Il est souvent difficile de distinguer les usages d’une instrumentation sophistiquée et fortement paramétrable. Aussi, nous proposons d’identifier 5 types de modes d’utilisation du rhéomètre.

Rhéométrie conventionnelle

Rhéométrie avancée

Nous désignons par rhéométrie avancée l’utilisation de la rhéométrie conventionnelle dans des approches plus appliquées, tenant compte des conditions pratiques de mise en œuvre des matières pour mimer par des protocoles instrumentaux adaptées aux contraintes réelles.

En effet, les contraintes des procédés comme des applications n’impliquent pas systématiquement des régimes à l’équilibre, mais au contraire des régimes transitoires qu’il s’agit de connaître, au moins dans leurs caractéristiques principales sinon dans leur amplitude, pour quantifier des réponses représentatives de la matière.

A défaut, les mesures les plus scientifiquement robustes peuvent échouer à faire apparaitre  des corrélations robustes avec les phénomènes réels. C’est un biais tout à fait courant, même dans la littérature scientifique.

Rhéométrie exotique

La rhéométrie exotique vise à qualifier un mode d’utilisation du rhéomètre exploitant la variété de ses modes d’application de contraintes pour quantifier des réponses qui, à la différence des paramètres mesurés en rhéométrie conventionnelle, ne s’appuient pas systématiquement sur des concepts théoriques. Nous parlons de paramètres opérationnels, essentiellement définis par la robustesse du protocole instrumental qui les quantifie.

Les différentes propriétés de texture (dureté, adhésivité, masticabilité,…) accessibles par les protocoles dits de TPA (Texture Profile Analysis) sont des paramètres de ce type. L’usage du rhéomètre en texturomètre fait souvent appel à des mobiles permettant d’imposer des configurations de contraintes particulières. Il est possible aussi de quantifier le glissement d’un produit gélifié, le collant d’un produit pâteux ou encore la tension de surface d’un fluide complexe.

Ici encore, on peut concevoir des pratiques plus ou moins avancées selon la nature et la finesse des comportements réels à étudier. Dans la rhéométrie exotique, les protocoles se font souvent mimétiques.

Rhéométrie en mesure couplée

Le rhéomètre présente l’atout de permettre d’imposer des contraintes thermomécaniques diverses aux substances d’étude. Les modes courants d’utilisation de la rhéométrie s’appuient sur la quantification de réponses mécaniques pour extraire diverses caractéristiques de comportement.

Il est aussi possible d’exploiter la configuration « à ciel ouvert » du rhéomètre pour ajouter des capteurs divers (optique, hygrométrie, pH,…) pour suivre l’évolution de divers paramètres en parallèle des paramètres mécaniques.

Micro-pilote instrumenté sur rhéomètre

Certains développements des techniques instrumentales, non loin des problématiques du génie des procédés, ont donné naissance à la rhéologie systémique, visant l’étude des comportements rhéologiques dans des conditions proches des conditions réelles.

Chez Rheonis, c’est le rhéomètre lui-même que nous transformons en micro-pilote. Le recours à différents modules expérimentaux ad hoc nous permet de mimer les contraintes caractéristiques d’un procédé ou d’une application et d’en suivre les effets en temps réel sur les états de matières.

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