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Démystifier la viscosité des fluides non newtoniens

Mesure de viscosité de fluide non newtonienne avec viscosimètre en ligne SRV

De nombreux fluides, sinon la plupart, présentent un comportement non newtonien. Un fluide est dit non newtonien lorsque sa viscosité mesurée dépend de la vitesse de cisaillement avec laquelle la mesure est effectuée.

1. Une brève introduction aux fluides non newtoniens

La viscosité est définie comme le rapport de la contrainte de cisaillement à la vitesse de cisaillement lorsqu'un fluide est soumis à un cisaillement uniforme, illustré schématiquement sur la figure 1:

Fig.1 - Un fluide newtonien cisaillé entre deux plaques parallèles

Fig.1: Un fluide newtonien cisaillé entre deux plaques parallèles

Lorsque la force de traînée (contrainte de cisaillement) est proportionnelle à la vitesse de la plaque inférieure (taux de cisaillement), le fluide est appelé newtonien. Sa viscosité est proportionnelle au rapport de la force de traînée à la vitesse. Par conséquent, la viscosité ne dépend pas de la vitesse à laquelle elle est cisaillée; la contrainte de cisaillement augmentera simplement pour suivre le rythme du cisaillement. Plus le rapport entre la contrainte de cisaillement et le taux de cisaillement est élevé, plus la viscosité est élevée (les deux lignes droites de la figure 2 ci-dessous):

Fig.2 - Comportement des fluides newtoniens et fluidifiants par cisaillement

Fig.2: Comportement des fluides newtoniens et d'amincissement par cisaillement

Fluides newtoniens et non newtoniens

Pour un Fluides newtoniens, changer la force que vous appliquez au fluide ne changera pas leur viscosité. La viscosité reste constante lorsque la force appliquée change. Dans un Fluide newtonien la relation entre la contrainte de cisaillement et la vitesse de cisaillement est linéaire, passant par l'origine, la constante de proportionnalité étant le coefficient de viscosité.

Non newtonien les fluides ont des viscosités qui changent en fonction de la quantité de force appliquée sur le fluide. La viscosité change à mesure que la force appliquée change. Dans un Fluide non newtonien la relation entre la contrainte de cisaillement et le taux de cisaillement est différente et peut même dépendre du temps (viscosité dépendante du temps) - un coefficient de viscosité constant ne peut pas être défini pour les fluides non newtoniens comme c'est possible pour les fluides newtoniens.

Dans le cas des fluides non newtoniens, le concept de viscosité habituellement utilisé en mécanique des fluides pour caractériser les propriétés de cisaillement d'un fluide n'est pas tout à fait adéquat. Au lieu de cela, ils sont mieux étudiés à travers plusieurs autres propriétés rhéologiques qui se rapportent aux tenseurs de contrainte et de vitesse de déformation dans de nombreuses conditions d'écoulement différentes qui sont mesurées à l'aide de différents appareils ou rhéomètres.

Référence - https://www.wikilectures.eu/w/Non-Newtonian_fluid (Image - Licence Creative Commons)

Un type de comportement non newtonien commun à de nombreux fluides est que la viscosité mesurée diminue à mesure que le taux de cisaillement du viscosimètre augmente. C'est ce qu'on appelle le comportement d'amincissement par cisaillement. Le rapport d'un liquide de fluidification par cisaillement entre la contrainte de cisaillement et le taux de cisaillement commence à être élevé, mais diminue à mesure que le taux de cisaillement augmente. Sur la figure 2 ci-dessus, la contrainte de cisaillement du liquide d'amincissement par cisaillement par rapport à la courbe du taux de cisaillement commence parallèlement aux fluides à haute viscosité et se termine parallèlement aux fluides à faible viscosité. Le fluide s'amincit plus vite qu'il est cisaillé.

La plupart des fluides présentent une relation non linéaire entre la contrainte de cisaillement et la vitesse de cisaillement. Cela signifie que la viscosité mesurée dépend du type de viscosimètre utilisé pour la mesure. Le SRV a un taux de cisaillement beaucoup plus élevé que la plupart des viscosimètres rotatifs, capillaires et à efflux. Par conséquent, le SRV montrera souvent une viscosité sensiblement différente de celle d'un instrument rotatif de laboratoire.

Les paragraphes suivants décrivent les mesures d'un fluide d'amincissement par cisaillement typique, et les implications pour les mesures en ligne avec le VRS Rheonics.

2. Mesures de viscosité des matériaux d'amincissement par cisaillement

Les solutions détergentes concentrées, telles que les shampooings, les liquides pour vaisselle et les assouplissants, présentent généralement un comportement d'amincissement par cisaillement. Lorsqu'un viscosimètre rotatif, tel qu'un Brookfield DV, est utilisé pour mesurer leur viscosité, la viscosité indiquée diminue à mesure que la vitesse de rotation de la broche augmente. Le graphique suivant, Fig. 3, illustre ce comportement d'amincissement par cisaillement:

Brookfield-rotational-viscosimètre3t
Fig.3 - Viscosité indiquée en fonction de la vitesse de rotation de la broche du viscosimètre

Fig.3 (a) Un viscosimètre rotatif typique - Brookfield DV3 (b) Viscosité indiquée en fonction de la vitesse de broche du viscosimètre pour le ramollissement du tissu sur un viscosimètre rotatif

Bien que le taux de cisaillement ne soit pas bien défini pour la plupart des viscosimètres, il peut être démontré que le taux de cisaillement des viscosimètres vibrationnels, tels que le Rheonics SRV, est plus de cent fois plus élevé que celui d'un Brookfield, Fann ou autre viscosimètre rotatif. . Cela signifie que le SRV fonctionne sur la queue à cisaillement élevé de la courbe de taux de cisaillement. La viscosité qu'il indique est nettement inférieure à celle de la plupart des autres processus de mesure de viscosité non vibratoire.

Lorsqu'il est mesuré avec un viscosimètre Rheonics SRV, l'adoucissant donne une viscosité indiquée de 9.7 cPs. La valeur beaucoup plus faible est attribuable au même phénomène observé sur la figure 1, la diminution de la viscosité à mesure que la vitesse de broche augmente. Le matériau est amincissant par cisaillement, et le taux de cisaillement du SRV est d'environ deux ordres de grandeur supérieur à ce qui est possible avec des viscosimètres rotatifs typiques. Par conséquent, il est impossible d'obtenir une correspondance numérique entre le SRV et les viscosimètres rotatifs, sauf pour les fluides strictement newtoniens, c'est-à-dire les fluides indépendants du taux de cisaillement.

Qu'est-ce que cela signifie pour les applications dans lesquelles le fluide dépend fortement du cisaillement? Cela dépend fortement de l'utilisation du SRV.

Figure 1. Viscosimètre en ligne (à gauche) et installé dans un adaptateur de ligne de débit pour les applications en ligne.

Fig. 4. Viscosimètre en ligne (à gauche) et installé dans un adaptateur de flux pour les applications en ligne

Une utilisation typique d'un viscosimètre en ligne consiste à surveiller la viscosité d'un produit pour vérifier que sa viscosité reste constante. Les paramètres du processus peuvent ensuite être ajustés par l'opérateur pour maintenir la viscosité dans une plage spécifiée. Dans ce cas, il peut être possible de dériver une formule de conversion qui permet de corréler les lectures Rheonics SRV avec des mesures de laboratoire avec des conditions de cisaillement définies.

Alternativement, le Rheonics SRV peut être utilisé comme capteur dans une boucle de contrôle pour ajuster automatiquement un ou plusieurs paramètres de processus afin de maintenir la viscosité du produit dans les limites spécifiées. Une application typique est dans les machines d'impression flexographique ou héliogravure, dans lesquelles le Rheonics SRV est utilisé pour maintenir la viscosité de l'encre d'impression constante.

Dans les deux cas, lorsque des fluides hautement non newtoniens, tels que des produits contenant du savon et des tensioactifs, sont surveillés ou contrôlés, le SRV doit être utilisé dans un fluide qui passe devant le capteur. Il ne donnera pas de lectures reproductibles s'il est simplement immergé dans un bécher de produit. Lorsqu'il est utilisé dans une ligne contenant un produit fluide, il donnera une réponse claire et reproductible à tout changement dans la viscosité du produit.

Surveillance des processus

Surveiller la viscosité d'un produit pour vérifier que sa viscosité reste constante.

Contrôle de processus

Le capteur peut être utilisé dans une boucle de contrôle pour ajuster automatiquement un ou plusieurs paramètres du processus afin de maintenir la viscosité du produit dans les limites spécifiées.

Vérification des matières premières

Effectuer des contrôles de qualité sur les matières premières entrantes.

Vérification du produit final

Assurer la pleine conformité de la qualité des produits finaux avec les normes établies.

REMARQUE: Le régime d'écoulement (cohérence) est important pour obtenir une surveillance fiable et précise dans les fluides de procédé non newtoniens. Faites circuler le fluide à travers le capteur et assurez un régime d'écoulement constant en ayant une vitesse de fluide et une section transversale similaires pendant toutes les mesures.

3. Recommandations pour tester l'applicabilité de Rheonics SRV à des mesures avec des fluides non newtoniens

Lors de l'évaluation du SRV Rheonics pour une mesure en ligne particulière, il est essentiel de faire fonctionner le SRV dans les conditions réelles du processus. Le SRV doit être placé dans une ligne de traitement dans laquelle le produit s'écoule, et la viscosité et la température enregistrées pendant le fonctionnement de la ligne de traitement.

Il est absolument essentiel que le SRV ne soit PAS évalué sur la base de mesures statiques. Mettre le SRV dans un bécher de fluide stationnaire ne donnera généralement pas de mesures qui correspondent aux mesures prises dans la ligne de processus réelle avec des débits typiques du fonctionnement de ce processus.

Pour les applications dans lesquelles il est difficile de savoir si le Rheonics SRV fournira des mesures utiles, veuillez contacter Rheonics pour organiser un essai de l'un des capteurs SRV de votre application.

Sensor_Pipe_mounting

Fig. 5. Installation des SRV et SRD dans les tuyaux

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