Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
La rhéologie des produits formulés est assez complexe, car elle est fonction notamment du type et de l’intensité de la sollicitation mécanique impartie et du niveau d’organisation des éléments constitutifs du produit. Les approches fondamentales et conventionnelles de la rhéologie dite « classique » peuvent être complétées par une approche systémique, qui permet d'intégrer les conditions ou sollicitations qui prévalent lors des procédés d'élaboration, de conditionnement et d'utilisation des systèmes formulés complexes. Cet outil méthodologique original traite ainsi la rhéologie des suspensions colloïdales, des milieux granulaires vibrés et celle de surface.
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The rheology of formulated products is rather complex as it depends on, in particular, the type and intensity of the mechanical stress and the level of organization of the product components. The fundamental and conventional approaches of the so-called "traditional" rheology may be supplemented by a systemic approach, which allows for the integration of the major conditions or stresses that occur during the processes of production, packaging and use of complex formulated systems. This innovative methodological tool thus deals with the rheology of colloidal suspensions, vibrated granular media and surface rheology.
Auteur(s)
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Lionel CHOPLIN : Ingénieur de l'Institut national des sciences appliquées (INSA) de Toulouse - Professeur à l'École nationale supérieure des industries chimiques (ENSIC) de l'Institut national polytechnique de Lorraine (INPL), Nancy
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Philippe MARCHAL : Ingénieur du Conservatoire national des arts et métiers (CNAM) de Nancy - Docteur de l'Institut national polytechnique de Lorraine (INPL), Nancy
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Christophe BARAVIAN : Docteur de l'Univerisité Denis Diderot de Paris - Professeur à l'Université Henri Poncaré (UHP), Nancy
-
Dominique LANGEVIN : Directeur de recherche CNRS Laboratoire de physique des solides de l'Université Paris Sud Orsay
INTRODUCTION
La plupart des produits formulés (produits alimentaires, produits de soins ou cosmétiques, peintures et vernis...) possèdent une rhéologie complexe, en ce sens qu'ils ne peuvent être caractérisés par une mesure unique de viscosité. En effet, la viscosité de ces produits est une fonction du type et de l'intensité de la sollicitation mécanique impartie, de l'échelle de temps considérée, du niveau de structuration ou d"organisation des différents éléments constitutifs du produit formulé et de l'équilibre des forces d'interaction entre ces différents éléments. Par ailleurs, les produits formulés doivent présenter des propriétés et fonctions d'usage ou d'application. Par exemple, dans le domaine des peintures industrielles, différentes formulations peuvent présenter des viscosités Störmer semblables, mais un comportement visqueux fort différent sur une large place de vitesse de cisaillement, ce qui peut conditionner le choix d'une formulation en relation avec les modes d'application ou d'utilisation. Qui plus est, ces formulations doivent posséder des propriétés thixotropes bien dosées pour éviter les coulures ou traces de pinceau. Ces propriétés sont souvent obtenues grâce à la présence d'additifs dits modificateurs de rhéologie (polymères, additifs particulaires, surfactants...). Contrôler l'action de ces additifs, leur mode et leur protocole d'incorporation au cours d'un procédé d'élaboration de produits formulés est crucial pour l'obtention des caractéristiques ultimes de ces produits. Il existe des couplages forts et irréductibles entre formulation, rhéologie et génie des procédés qu'il est fondamental d'appréhender et de maîtriser.
Afin d'étudier ces produits formulés complexes, nous avons développé ce que nous avons convenu d'appeler une rhéologie systémique, qui s'avère être un outil méthodologique original. Cette rhéologie systémique ne prétend pas se substituer à la rhéologie traditionnelle, mais apporte un éclairage plus que complémentaire comme pourront le montrer trois exemples d'application.
De nombreux produits formulés complexes se présentent sous la forme de suspensions colloïdales. La rhéo-optique relève de la rhéo-physique, laquelle fait abstraction des lois types de comportement et vise à prédire le comportement rhéologique à partir de propriétés microscopiques évalués en écoulement (discipline en plein développement). Les techniques de rhéo-optiques permettent d'étudier leur structure dans des conditions d'écoulement contrôlées.
Les produits pulvérulents sont aussi des produits formulés complexes. Ils sont de plus en plus présents dans nombre de secteurs d'application industrielle. La mise en œuvre et l'utilisation de ces produits pulvérulents utilisent des méthodes indirectes (angle de talus, indice de coulabilité...) ou directes (cellules de cisaillement...) qui se heurtent à des difficultés de reproductibilité et d'interprétation, liées à la topologie des empilements adoptée lors de leur conditionnement . Le développement d'une cellule de mesure de milieux pulvérulents vibrés, s'appuie entre autres sur l'outil « rhéologie systémique » et pallie les difficultés susmentionnées. Deux exemples d'application illustrent les potentialités de la démarche.
La rhéologie de surface est une discipline en plein essor, tellement importante pour de très nombreux produits formulés complexes.
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Rhéologie des milieux granulaires vibrés
En anglais
2. Suspensions colloïdales et rhéo-physique
2.1 Échelles spatiales et énergies
Les fluides non newtoniens sont des matériaux dont les propriétés mécaniques dépendent non linéairement de l'énergie mécanique (un cisaillement, par exemple) qui leur est appliquée, et éventuellement du temps. L'hypothèse structurelle, assez largement admise, est que les sources de ces non-linéarités se trouvent dans une modification de l'organisation interne de la structure de ces milieux.
Lorsque des particules forment des amas, ceux-ci piègent du fluide, « bloqué » dans les interstices. Si l'énergie de cisaillement sur ces amas est suffisante, les amas peuvent être cassés, ou érodés. Le fluide piégé est alors partiellement libéré et l'ensemble fluide-particules devient moins visqueux.
De même, une suspension suffisamment concentrée en bâtonnets ou fibres peut présenter globalement des alignements sous écoulement, donnant lieu à une modification des propriétés mécaniques de la dispersion, fonction du champ d'orientation des particules.
De fait, pour que l'application d'une force mécanique soit susceptible d'induire une réorganisation du matériau, les échelles spatiales concernées ne peuvent être quelconques. L'échelle locale minimale pouvant exercer une influence sur les propriétés à grande échelle est au voisinage du micromètre. Pour le mettre en évidence, nous pouvons considérer quelques énergies globales concernées :
-
l'énergie thermique brownienne :
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avec :
- kB :
- = 1,37 × 10–23 J · K–1,
- T :
- (K) température ;
-
l'énergie mécanique :
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avec :
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- taille...
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Suspensions colloïdales et rhéo-physique
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - SCHER (J.) - Rhéologie, texture et texturation des produits alimentaires. - Techniques de l'Ingénieur, [F 3 300v2-1 à 16] (2006).
-
(2) - De ROSNAY (J.) - Le macroscope. Vers une vision globale. - Éd. du Seuil, Paris (1975).
-
(3) - AÏT-KADI (A.), MARCHAL (PH.), CHOPLIN (L.), CHRISSEMANT (A.-S.), BOUSMINA (M.) - Quantitative Analysis of mixer-type rheometers using Couette Analogy. - Can. J. Chem. Eng., 80(6), p. 1166-1174 (2002).
-
(4) - BRITO DE LA FUENTE (E.), LEULIET (J.C.), CHOPLIN (L.), TANGUY (P.A.) - On the effect of shear-thinning behavior on mixing with a helical ribbon impleller. - AIChE Symp. Series, 286(88), p. 28-32 (1992).
-
(5) - CHOPLIN (L.), MARCHAL (PH.) - Rheo-reactor for in situ rheological follow-up of chemical or physical processes. - Ann. Trans. Nordic Rheol. Sec, 7, p. 5-12 (1999).
-
(6) - WINTER...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
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Rhéologie, texture et texturation des produits alimentaires.
ANNEXES
Colloques annuels du groupe français de rhéologie tous les ans durant trois jours en octobre ou novembre. 45e colloque à Lyon en 2010, 46e à Nancy en 2011.
Congrès européens de rhéologie (Annual European Rheology Conference) tous les ans sauf l'année du congrès mondial. 6e à Göteborg du 7 au 9 avril 2010 http://www.rheology-esr.org/
Congrès mondiaux de rhéologie (International Congress on Rheology) tous les quatre ans. 15e du 3 au 8 août 2008 à Monterey (Californie) http://www.rheology.org/
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TA Instruments http://www.tainstruments.com/
Anton Paar - Physica http://www.anton-paar.com/
Malvern http://www.malvern.com/
Thermo Scientific - Haake http://www.thermo.com/
Tracker http://www.itconceptfr.com/Pageshtml/Tracker_Desc_VF.html
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