L'objet de la rhéologie est de déterminer les contraintes et déformations en tout point d'un milieu [2]. La déformation du matériau qui se produit après la suppression des contraintes correspond à une récupération.
Rhéométrie, dispositifs expérimentaux 1 Introduction
Lors du changement rapide de contrainte de cisaillement, le couple associé à l'inertie du dispositif peut conduire à des erreurs de mesure. 34; Contribution à l'étude de la viscosité des suspensions de bentonite", Thèse de doctorat de l'Université Louis Pasteur.
Etude bibliographique
Rhéologie des solutions de CMC
À mesure que la concentration augmente, les solutions de CMC présentent un comportement viscoélastique et sont analogues à un gel lorsque c>c** [5]. Les études font également référence à des mélanges de CMC avec d'autres polysaccharides ou aux modifications à apporter dans la chaîne CMC pour obtenir des propriétés similaires à celles de la solution de xanthane [35], mais cela sort du cadre de notre étude.
Etude expérimentale à 20°C
Préparations des échantillons
Ces deux instruments sont équipés de géométries cône-plan dont les caractéristiques sont données dans le tableau 2.2. Le tableau 2.3 illustre les caractéristiques des CMC que nous avons utilisés (BT, MT et HT).
Détermination de la viscosité intrinsèque
On peut ainsi tracer la viscosité spécifique et la viscosité intrinsèque en fonction de la concentration (Fig. 2.11). L'extrapolation à concentration nulle donne une valeur de la viscosité intrinsèque, qui conduit à des estimations de la masse molaire du polymère.
Etude rhéologique en cisaillement permanent
La modélisation de l'évolution de la viscosité en fonction du gradient de vitesse est présentée à la Figure 2.19. La figure 2.23 montre l'évolution de la viscosité spécifique à gradient nul en fonction de la concentration.
Etude rhéologique en cisaillement oscillatoire
Au cours de l'essai, les modules G' et G", ainsi que la déformation sont tracés en fonction de la contrainte. Dans le cas du CMC HV, la déformation du CMC MV diminue en fonction de la concentration (Figure 2.42). La Figure 2.49 montre le module de perte en fonction de la pulsation pour les solutions aqueuses de CMC LV.
La figure 2.55 montre l'évolution du taux de récupération ∆J en fonction de la concentration en CMC. La viscosité spécifique étudiée en fonction de la concentration montre clairement les différents régimes.
Composition et classification des silicates
Utilisation de la bentonite
Les bentonites sont utilisées sous diverses formes, depuis la poudre ou les granulés (associés à un géotextile), jusqu'à la suspension plus ou moins concentrée et plus ou moins traitée (fluides de forage). L’utilisation de la bentonite dans les secteurs liés à l’industrie agroalimentaire et pharmaceutique est soumise à des règles de composition strictes. La bentonite permet de maintenir en suspension dans l'émail des mélanges de particules assez grossières [6].
Le débit de la peinture doit être suffisant pour permettre une bonne couverture et doit pouvoir former une structure gélifiée une fois le cisaillement arrêté. Le temps de séchage de la peinture (lié à la thixotropie) ne doit pas être trop court pour ne pas retenir les traces de pinceau, ni trop long pour ne pas provoquer de coulures [6].
Microstructure de la bentonite
En cosmétique, cette propriété facilite la répartition de l'eau interstitielle et contribue à un échauffement local qui assure la dilatation des pores et contribue à l'hydratation. L'agrégat est plus ou moins dense, selon la texture et le nombre de particules, ainsi que les distances qui les séparent [9].
Interactions dans le système Eau / Bentonite
Ces types de gels se caractérisent par des particules très lâches constituées d'un petit nombre de feuillets (en moyenne 5) voire de feuillets isolés situés à des distances de 30 à plusieurs centaines d'Å. L'ensemble forme un réseau très flexible aux propriétés visqueuses et thixotropes importantes [9]. C'est également le cas de la bentonite, où l'eau qui pénètre dans l'espace entre les feuilles provoque la séparation des couches [11]. Deux échelles différentes d’organisation structurelle de la bentonite peuvent être distinguées : a) dispersion interparticulaire, où la pénétration des molécules d'eau est localisée entre les particules basiques.
Ce phénomène est d'autant plus important que l'ajout d'électrolyte entraîne une contraction de la double couche. L'ensemble feuille/cation doit donc être considéré comme dynamiquement stable, les cations compensant la charge des feuilles sans être soumis à une localisation particulière.
En suspension, une telle dispersion des feuillets induit une forte occupation volumique donc une viscosité relativement importante dès les plus faibles
Etude expérimentale des suspensions de bentonite à 20°C
La viscosité de la dispersion de bentonite augmente avec le temps jusqu'à ce que l'équilibre soit atteint. La figure 3.13 représente les courbes de déformation en fonction de la contrainte pour les trois fréquences sur une échelle logarithmique. La figure 3.16 représente les deux modules de conservation et de perte en fonction de la fréquence log-log.
La courbe fluage-récupération (fig. 3.17, a) montre clairement l'élasticité de la suspension bentonite. On note l'absence de pente = 1, dans la représentation logarithmique de la courbe fluage-récupération (fig. 3.17, b).
Bibliographie sur les systèmes Polymère/Argile
2ème groupe : interaction entre les charges négatives de l'argile et le polymère anionique par l'un des trois mécanismes suivants : .. o L'échange d'ions se produit entre les ions OH des surfaces de l'argile et la partie anionique du polymère. o Des liaisons hydrogène peuvent se former entre les particules d'argile et les chaînes polymères. La méthode préparative utilisée augmente donc la probabilité que la chaîne polymère interagisse avec plus d’une particule d’argile. Lorsque ces liaisons augmentent en augmentant la concentration de CMC, la structure tridimensionnelle des particules d'argile se complique avec plus de difficultés d'écoulement et par conséquent une augmentation de la viscosité. Sur la figure 4.2 nous montrons un agglomérat de bentonite avant et après cisaillement selon un plan donné. .
Les chaînes CMC restent entre les particules d'argile, rendant la suspension polymère-argile dépendante de l'état structurel du polymère. Ceci explique la faible viscosité obtenue en mélangeant la CMC LV et la suspension de bentonite et l'augmentation de viscosité pour le cas du CMCHV [4].
Protocole de préparation des échantillons; recherche de l'état d'équilibre
Nous avons observé l'apparition d'un bloc d'argile, qui ralentissait considérablement le mélange de la dispersion. A partir des résultats de la figure 4.6 (limitation en fonction du gradient pour CMC1HVB5), un quotient peut être calculé. La figure 4.8, qui représente la contrainte en fonction de la déformation, confirme ce résultat (pente 1 dans la première partie des courbes).
Une fois le maximum atteint, on assiste à une baisse de viscosité d’autant plus brutale que le système est plus jeune. En conséquence, les molécules d’eau peuvent être transférées de la surface des particules vers la masse.
Résultats à l'équilibre 1 Modélisation
A partir de ces courbes, nous pouvons voir l'effet de l'ajout de bentonite sur les propriétés rhéologiques des solutions de CMC. Dans ce cas, la viscosité de la dispersion CMCB5 est bien supérieure à celle de la solution aqueuse de CMC. On note que la viscosité de la dispersion CMCB5 est inférieure à celle de la solution aqueuse de CMC, comme le montre la figure 4.16.
Si l'on compare le comportement rhéologique des dispersions de bentonite dans des solutions aqueuses de CMC avec celui de la suspension de bentonite, on constate, comme dans le cas précédent, une certaine variation en fonction des concentrations et de la masse molaire de CMC. On remarque que la courbe d'écoulement de la suspension de bentonite dans l'eau est « supérieure » à celle de la dispersion CMCB5 (fig. 4.17).
Mesures en oscillation
- CMC HV
- CMC HV
La figure 4.20 illustre les modules de conservation et de perte en fonction de la contrainte pour les dispersions de CMC HVB5 à la fréquence 1 Hz. L'ajout de bentonite rend G' dix fois supérieur au module élastique de la solution polymère. Au-delà de cette valeur critique de la contrainte de cisaillement, le fluide commence à s'écouler.
La figure 4.26 présente les modules G' et G" en fonction de la pulsation ω pour les systèmes CMCHVB5 à différentes concentrations de polymère. La figure 4.32 présente la variation du taux d'écoulement ∆J du mélange CMCHVB5 en fonction de la concentration en CMC HV.
Observation microscopique sous écoulement
- CMC 1 HVB5
- CMC 1.5 HVB5
La figure 4.34 montre l'évolution de la contrainte de cisaillement en fonction du temps, avec deux photos de la suspension B5. On note la présence d'un pic dans la courbe de viscosité en début de rampe, qui se traduit par une résistance à l'écoulement pendant plusieurs secondes. Si l'on trace la viscosité (ou plutôt le coefficientτγ ..amp;) en fonction de la contrainte (fig. 4.36), on observe un comportement tout à fait analogue à celui décrit au chapitre 3 au niveau de la rampe de restriction : une augmentation de la viscosité suivi d'un déclin.
Sur le même graphique on constate la diminution de la viscosité lors du niveau 12Pa et une augmentation progressive de la viscosité lors du niveau 2Pa. D'après la figure 4.38, on remarque clairement une résistance à l'écoulement au niveau des deux essais, qui se manifeste par un pic de viscosité en fonction du temps au début de la pente d'écoulement.
Etude physicochimique
Dans le cas de la bentonite (Fig. 4.44), il y a une perte d'eau (≈11 %) ; la même observation a été faite dans le cadre des mesures BET. Pour le mélange CMC/bentonite lavé (fig. 4.45) on observe une perte en eau d'environ 10%, légèrement plus lente qu'avec la bentonite. Le problème de la thixotropie n'a pas été abordé (car il a été étudié dans des thèses précédentes, réf : Benchabane [4]).
Au cours du vieillissement, la viscosité diminue jusqu'à ce qu'un état d'équilibre semble avoir été atteint. L'influence de la température sur les propriétés rhéologiques des suspensions de bentonite dans les solutions aqueuses de CMC 156.
Influence du pH sur les propriétés rhéologiques des solutions de CMC et des dispersions de bentonite
Influence de la température sur les propriétés rhéologiques des suspensions de bentonite en solutions aqueuses.
Influence de la température sur les propriétés rhéologiques des suspensions de bentonite dans les solutions aqueuses de
- Ecoulement permanent
- Discussion
Au-dessus de la tension de seuil, la viscosité diminue à mesure que la température augmente. Le tableau 5.1 présente la viscosité des solutions aqueuses de CMC0,5LV et CMC1LV, en fonction de la température. La déformation et l'angle de perte δ sont tracés en fonction de la contrainte de cisaillement (figures 5.9-a et 5.9-b).
Dans la zone d'écoulement, la contrainte augmente avec la température, correspondant à une diminution de la viscosité. Lorsque la contrainte est inférieure à la contrainte seuil, le comportement est plus compliqué avec des évolutions inhabituelles des grandeurs caractéristiques du matériau en fonction de la température.
- Rhéologie des suspensions de bentonite
- Rhéologie des mélanges CMCHVB 5
Le comportement rhéologique de la solution CMC HV peut être décrit par le modèle Cross simplifié. Les modules de rétention et de perte, en fonction de la pulsation, pour CMC1.5HV sont illustrés à la figure 5.22. La figure 5.26 montre les modules de stockage et de perte G' et G'' en fonction de la contrainte pour des suspensions de bentonite à différents pH.
La figure 5.32 montre les modules de stockage et de perte en fonction du stress des dispersions de CMC1HVB5 à différents pH. La figure 5.33 montre les modules en fonction de la pulsation de la dispersion CMC1HVB5 à différents pH.
