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RÉSUMÉ
En combinant les avancées en matière d'étude des surfaces, de tribologie, de mouillabilité aux protocoles de rhéologie, une nouvelle méthode d'étude des fluides a été élaborée, présentée dans cet article. La relaxation dynamique sonde la dynamique à l'échelle macroscopique, en imposant par contact avec le substrat, une contrainte de cisaillement de fréquence variable. Cette optimisation des contacts met en évidence l'existence d'une composante élastique (solide) macroscopique, loin de toute transition. Cette élasticité macroscopique provient des interactions intermoléculaires qui sont habituellement négligées dans les approches classiques. Ce nouveau protocole de mesure montre qu'en optimisant l'interaction entre le fluide et la surface, la réponse dynamique du fluide peut être de plusieurs décades plus élevée et que le module de cisaillement ne s'annule pas à basses fréquences. Cette observation illustre le haut degré d'interconnectivité entre molécules. L'existence de cette cohésion élastique à longue portée permet d'expliquer l'apparition d'instabilités d'écoulement, de relaxations lentes, de transitions induites sous écoulement.
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Due to combined advances in terms of surface studies, tribology and wettability for rheology protocols, a new method of study of fluids has been developed and is presented in this article. The dynamic relaxation probes the dynamics at the macroscopic scale, by imposing through contact with the substrate a shear stress of variable frequency. This optimization of contact demonstrates the existence of a macroscopic elastic (solid) component, far from any transition. This macroscopic elasticity is induced by intermolecular interactions which are generally not taken into account in traditional approaches. This new measurement protocol proves that, by optimizing the interaction between the fluid and the surface, the dynamic response of the fluid may be higher of several tens and that the shear modulus still occurs at low frequencies. This observation illustrates the high degree of interconnectivity between molecules. The existence of this long-range elastic cohesion explains the appearance of flow instabilities, slow relaxations and flow-induced transitions.
Auteur(s)
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Patrick BARONI
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Hakima MENDIL-JAKANI
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Laurence NOIREZ
INTRODUCTION
L'étude systématique des propriétés dynamiques des fluides, enrichie par l'émergence de nouvelles disciplines telles que la micro-rhéologie et la tribologie, montre l'impossibilité de décrire le fluide comme un ensemble homogène de l'échelle macroscopique à l'échelle moléculaire. Revisiter certains protocoles de mesure utilisés en rhéologie, dans l'espoir de les améliorer, en exploitant les avancées récentes faites en tribologie, en adhésion et en mouillage est l'objet de cet article.
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Principe de mesure des grandeurs viscoélastiques
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3. Résultats obtenus par optimisation des conditions expérimentales
Les mesures conventionnelles en rhéologie sont réalisées sur des substrats métalliques (aluminium, acier inoxydable, verre...), c'est-à-dire sur des substrats ne présentant dans la plupart des cas qu'un mouillage partiel. Un mouillage total est préférable pour l'optimisation des mesures viscoélastiques. Nous avons vu au paragraphe 2.2 que les liquides organiques (polymères, fluides visqueux, complexes...) ont une interaction de type mouillage total sur des substrats en alumine. Nous proposons donc d'illustrer les résultats obtenus dans des conditions de mouillage total et en s'assurant au préalable, par observation microscopique, de l'absence d'hétérogénéités (bulles, cavités...). Voici quelques exemples obtenus à l'aide du protocole mentionné précédemment.
3.1 Amélioration de la mesure en relaxation dynamique
La figure 12 illustre l'influence de la nature du substrat sur la mesure de la réponse élastique d'un fondu de polymère (PBuA) de faible masse moléculaire (la masse moléculaire correspond au nombre de monomères de la chaîne multiplié par la masse du monomère) mesuré à plus de 90 oC au-dessus de la température de transition vitreuse, sur un substrat en aluminium (mouillage partiel) et un substrat en alumine (mouillage total). Ce produit a une consistance proche d'une huile de moteur.
L'optimisation de l'interaction entre la surface et le fluide produit une spectaculaire amélioration de la mesure. Le module élastique G′ (module visqueux G′′ non représenté ici) est plus élevé et sa valeur est indépendante de la fréquence : il s'agit d'une réponse de type solide. Cette réponse de type solide remplace la décroissance en ω2 correspondant au régime d'écoulement qui est observée sur des surfaces conventionnelles....
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BIBLIOGRAPHIE
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(4) - BARRAT (J.-L.), BOCQUET (L.) - Influence of wetting properties on hydrodynamics boundary conditions at a fluid/solid interfaces. - Faraday Discussion, 112, p. 119-127 (2001).
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(6) - SCHMATKO (T.), HERVET (H.), LÉGER (L.) - Friction and slip at simple fluid-solid interfaces : the roles of the molecular...
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