Guide : La viscosité

La viscositéIntroduction à la viscosité et sa mesure



Cette introduction à la viscosité vous présentera ce qu'est la viscosité (définition, unités, etc...), les différents types de fluides existants, les principales technologies existantes afin de caractériser un fluide, ainsi qu'un guide de choix vous indiquant quel instrument de mesure choisir et quel mobile utiliser en fonction de votre application.
Vous y découvrirez également quels instruments utiliser pour analyser vos produits non-coulants.



1 - Présentation

La viscosité est une des propriétés permettant de caractériser un fluide, mais il en existe d’autres, telles que la plasticité ou l’élasticité. Toutes ces disciplines sont rassemblées sous la même science appelée rhéologie, qui est l’étude de la déformation et de l’écoulement de la matière.

Rhéologie

La viscosité caractérise la friction à l’intérieur d’un fluide, due à l’attraction moléculaire, ce qui fait que le fluide résiste à son propre écoulement. Physiquement, la viscosité est la mesure du frottement des couches de fluides les unes sur les autres. Plus ce frottement est important, plus le fluide sera visqueux, et ainsi, plus il faudra déployer de force pour déplacer le fluide. Et inversement, si ce frottement est moins important, il s’écoulera plus facilement, et sera moins visqueux.

La viscosité

L’unité de mesure de la viscosité est la Poise (P ou Po). Elle peut être aussi exprimée par son équivalant, le Pascal-seconde (Pa.s), avec 1 Pa.s équivalant à 10 P, ou pour les liquides de faible viscosité, 1 mPa.s (milliPascal-seconde) équivalant à 1 cP (centiPoise). Ces unités sont celle de la viscosité dynamique, elle est désignée par la lettre grecque µ (« mu ») ou η (« éta »). Pour se figurer concrètement la viscosité, voici des ordres de grandeurs en fonction de matériaux connus :


Matériau Viscosité dynamique
(en mPa.s, à 20°C, à 1 atm)
Eau 1
Huile d'olive 84
Miel 10*103
Beurre de cacahuètes 250*105
Poix 2.3*1011
Tableau 1. Viscosité : Ordres de grandeur




2 - Pourquoi mesurer la viscosité ?

La connaissance de la viscosité d’un matériau est utile pour une multitude d‘applications, telles que le contrôle de la qualité final d’un produit (comme les peintures ou les huiles), la connaissance de l’avancement de réactions physico-chimiques ou encore pour dimensionner des équipements.




3 - Un peu de théorie

Mathématiquement, la viscosité dynamique est égale à la contrainte de cisaillement (τ ou « tau »), divisée par le taux de cisaillement.

La contrainte de cisaillement représente la force (par unité de surface) appliquée sur le fluide, pour que les couches de fluide se déplacent les unes sur les autres, donc pour cisailler le fluide (Figure 1).

Le taux de cisaillement représente le déplacement en mètre par seconde (m/s) des couches de fluides les unes sur le autres.

Schéma de l’écoulement d’un fluide selon Newton Figure 1. Schéma de l’écoulement d’un fluide selon Newton
µ=τ/pente avec τ = F/A et A la surface sur laquelle la force F est appliquée.

Cette description de l’écoulement d’un fluide est celle d’Isaac Newton.
Dans cette description, la contrainte et le taux de cisaillement sont proportionnels et donc la viscosité est constante. Nous verrons, par la suite, que dans la majorité des cas, la viscosité est plus complexe que ce que Newton pensait, et que le cisaillement est un paramètre très important dans la mesure de la viscosité.




4 - Quelques termes importants

Fluides newtoniens

Les fluides exhibant le type de comportement d’écoulement décrit plus haut (Figure 1), sont appelés fluides newtoniens. Cette description est valable pour quelques fluides comme l’eau ou l’alcool. Ces fluides ont une viscosité dynamique constante (µ), peu importe le cisaillement auquel ils sont exposés.


Fluides non-newtoniens

Rhéo-épaississant et rhéo-fluidifiant

Cependant, une grande partie des fluides sont dits non-newtoniens (comme la peinture ou le ketchup par exemple). En effet, quand on essaye d’appliquer de la peinture sur un mur, elle s’écoule peu toute seule (elle est donc visqueuse), mais quand nous y appliquons un cisaillement que l’on appellera S, elle devient plus liquide, facile à appliquer et se fluidifie.

Ce type de fluide sont appelés rhéo-fluidifiants, Ceux qui au contraire deviennent plus visqueux quand ils sont cisaillés, sont dits rhéo-épaississants (Figure 2).

volution de la viscosité Figure 2. Evolution de la viscosité (µ) en fonction du taux de cisaillement (S) pour les fluides newtoniens, rhéo-fluidifiants et rhéo-épaississant


Pseudoplastique

Il existe également un autre type de fluide non-newtonien, les pseudoplastiques.
Leur comportement est similaire aux fluides rhéo-fluidifiants et rhéo-épaississants, sauf qu’ils exhibent un « seuil d’écoulement », un cisaillement en dessous duquel, le matériau se comporte comme un solide, et au-delà duquel le fluide se met à exhiber des caractéristiques rhéo-épaississantes ou rhéo-fluidifiantes. Le ketchup est un exemple de fluide pseudoplastique, il devient liquide qu’à partir du moment où on l’agite.


Thixotropie et rhéopexie

Par ailleurs, un fluide peut voir sa viscosité varier avec le temps (sous un cisaillement constant), ces fluides sont appelés thixotropes si leur viscosité diminue avec le temps, et rhéopexes si leur viscosité augmente avec le temps (Figure 3).

Évolution de la viscosité (µ) en fonction du temps (t), à cisaillement constant, pour les fluides thixotropes et rhéopexes Figure 3. Évolution de la viscosité (µ) en fonction du temps (t), à cisaillement constant, pour les fluides thixotropes et rhéopexes




5 - Comment mesurer la viscosité et d’autres caractéristiques d’un fluide ?

Il existe plusieurs appareils pour caractériser un fluide.

Le viscosimètre permet de déterminer uniquement la viscosité d’un fluide sous certaines conditions (newtonien, fluide pouvant être défini par une seule valeur de viscosité), en raison de sa plage de cisaillement limitée.

Un rhéomètre, quant à lui, permet de caractériser tous les fluides et ce plus en détails (propriétés rhéologiques), en raison de sa plage de cisaillement plus élevée que celle d’un viscosimètre.



Viscosimètres et rhéomètre Viscosimètre et rhéomètre

Voici un tableau récapitulatif des principales différences entre les deux types d’appareils :

Caractéristiques Viscosimètre (seul) Rhéomètre (seul)
Plage de mesure Faible Élevée
Type de fluides analysables Newtoniens Tous les fluides
Principales propriétés analysables Viscosité Viscosité, seuil d’écoulement, thixotropie
Tableau 2. Tableau comparatif viscosimètre et rhéomètre

Il est important de noter que ce tableau est valable pour les viscosimètres ou les rhéomètres seuls (sans le logiciel associé).
En effet, il est possible de rendre un appareil plus fonctionnel en le pilotant à l’aide d’un ordinateur. Dans ce cas, un viscosimètre permet de « toucher du doigt » la rhéologie, et ainsi déterminer le seuil d’écoulement d’un fluide, ou encore étudier la thixotropie d’un produit par exemple.

Pour analyser un produit, on utilise communément un viscosimètre ou rhéomètre rotatif.
Ces instruments effectuent des mesures sur un fluide en y immergeant un mobile ou « spindle ».
Il existe deux configurations différentes : les systèmes à ressort (Figure 4) et ceux à encodeur numérique (Figure 5).


Système à ressort

Viscosimètre : Schéma d’un système à ressort Figure 4. Schéma d’un système à ressort

Le système à ressort est le premier à avoir été commercialisé (Figure 4).

L’axe principal est mis en rotation par un moteur synchrone, ce même axe est lié à un ressort en forme de spirale, qui est lié au mobile (rotor).

Ainsi sous l’effet du fluide sur le mobile, le ressort se déformera plus (pour un fluide très visqueux) ou moins (pour un fluide peu visqueux).

Et donc, connaissant la déformation du ressort, on peut remonter à la viscosité du fluide testé, et à d’autres caractéristiques.

Système à encodeur numérique

Viscosimètre : Schéma d’un système à encodeur numérique Figure 5. Schéma d’un système à encodeur numérique

Le système à encodeur numérique, quant à lui, tire parti du courant nécessaire pour mettre en rotation le mobile (plongé dans l’échantillon).

En effet, la viscosité du fluide sera proportionnelle au courant et à la vitesse de rotation du mobile dans le fluide.
Un des avantages de ce genre de viscosimètre est qu’un appareil permet d’effectuer des mesures sur une large gamme de fluide (de peu à très visqueux), alors qu’un système à ressort doit être choisit en fonction du fluide étudié.
Avec les viscosimètres L (ou LV) pour les faibles viscosités (encres, huiles et solvants par exemple).
Les viscosimètres R (ou RV) pour les viscosités moyennes (crèmes, peintures ou quelques aliments par exemple), et les viscosimètres H (ou HV) pour les fortes viscosités (gels, beurre de cacahuète ou asphalte par exemple).




6 - Paramètres à prendre en compte lors de l’analyse d’un échantillon

La viscosité d’un produit est souvent indiquée pour une certaine température (Tableau 1), car la viscosité varie quand ce paramètre est modifié.

La viscosité d’un produit peut également être affectée par d’autres paramètres comme la durée de mesure, le matériel de mesure (mobile, récipient utilisé, etc…), la pression environnante, l’historique du produit ou encore le cisaillement subit par le produit (pour les fluides non-newtoniens).



Température

La température est un des principaux paramètres affectant la viscosité d’un produit.
L’élévation de la température a pour effet de dilater un fluide, et donc de lui permettre de s’écouler plus facilement, due à la friction moins importante entre les molécules qui le compose.
Les viscosimètres et rhéomètres proposés par Jeulin, possèdent tous une solution afin de réguler votre produit en température lors de vos analyses.



Taux de cisaillement

Comme discuté en partie 5, certains fluides (les non-newtoniens) voient leur viscosité varier en fonction du cisaillement qui leur est imposé.
Ainsi, lorsqu’un produit est analysé, il est impératif de le soumettre à des cisaillements différents, afin de voir son comportement rhéologique dans différentes conditions. Ceci est vrai pour les peintures, les produits cosmétiques ou encore le sang.



Matériel de mesure

Le matériel de mesure comme le mobile tournant dans le liquide analysé, ou le récipient dans lequel le liquide est analysé, sont également des variables très importantes lorsque l’on mesure la viscosité d’un produit.
Ces variables peuvent à la fois avoir un impact sur la reproductibilité des mesures, mais aussi sur la justesse des mesures de viscosité en elles-mêmes.
En effet, l’échantillon analysé interagira différemment avec un mobile de faibles dimensions, et un mobile de dimensions plus élevées, donc la mesure de viscosité ne sera pas la même entre les deux mobiles.
De plus, le mobile doit être immergé dans l’échantillon jusqu’au milieu du repère inscrit sur son axe, afin d’obtenir des mesures correctes.
Il faut également que le récipient dans lequel est versé l’échantillon, et plongé le mobile, soit d’une certaine dimension.
Par exemple, pour les mobiles standards L (1 à 4) et R (1 à 7), il est préconisé d’utilisé un bécher de 600 mL, de 83 mm de diamètre ou plus.



Temps de mesure

Comme discuté partie 4, certains fluides voient leur viscosité varier avec le temps (fluides thixotropiques et rhéopexes). Ainsi, le temps d’analyse d’un produit doit être pris en compte dans la mesure de sa viscosité.



Historique du produit

Des aspects comme l’âge du produit, sa préparation ou ses conditions de stockage doivent être pris en compte pour la mesure de sa viscosité.
En effet, la viscosité d’un produit hétérogène peut varier significativement s’il a été agité ou cisaillé avant d’être analysé.



Pression

Dans une moindre mesure pour le fluide que pour les gaz, la pression autour d’un fluide peut avoir un impact sur sa viscosité.
En effet, la pression comprime les fluides et donc augmente la proximité entre les molécules et donc leur friction quand le fluide est cisaillé.
Cela est plus vrai pour les mélanges de phase (solide, liquide et air), qui lorsqu’ils sont soumis à une forte pression, se voient comprimé à cause de la présence d’air en leur sein.




7 - Comment bien choisir son instrument et ses mobiles en fonction de l’application ?

Choix de l’instrument, vitesse de rotation et taille du mobile

En fonction du matériau et des propriétés rhéologiques que l’on souhaite étudier, le choix du système, celui des mobiles et de ses accessoires varie.
Voici un schéma explicatif pour comprendre quel système, vitesse de rotation et taille de mobile choisir en fonction de la viscosité de votre fluide.

Guide de choix du système, vitesse de rotation et mobile en fonction de la viscosité du fluide Figure 6. Guide de choix du système, vitesse de rotation et mobile en fonction de la viscosité du fluide

Choix de la géométrie du mobile

La Figure 6 vous permet de trouver le bon appareil, la bonne vitesse, ainsi que la taille optimale de mobile quand vous désirer effectuer des mesures rhéologiques, et que vous avez déjà sélectionné votre mobile. Cependant, il existe différents types de mobiles destinés à des applications précisent.



Voici les principaux mobiles à votre disposition, ainsi que leurs domaines d’utilisation.

Mobiles en disques

Mobiles en disque

Mobiles standards selon la norme ASTM/ISO2555, pour obtenir des mesures de viscosité précises et reproductibles pour une grande variété de fluides, à utiliser dans un bécher de 600mL ou plus.

Mobiles cylindriques

Mobiles cylindriques

Mobiles standards selon la norme ASTM/ISO2555, pour la détermination des taux et contraintes de cisaillement, ainsi que de la viscosité, pour la plupart des applications impliquant des fluides non-newtoniens, comme des peintures.

Mobiles cylindres coaxiaux

Mobiles cylindres coaxiaux

Mobiles normalisés DIN/ISO3219, particulièrement adaptés pour des produits homogènes d’aspect liquide avec ou sans particules. Ces systèmes permettent de fixer le gradient de cisaillement pour effectuer des mesures de viscosité ou de tracer des courbes pour l’étude du comportement d’écoulement, le seuil d’écoulement ou la thixotropie d’un fluide.

Mobiles cônes ou plateaux

Mobiles cône ou plateau

Mobiles pour la détermination précise de la viscosité sur de très petits échantillons. Adaptés pour tout type de produits, ils sont recommandés pour des viscosités élevées. Ces mobiles permettent d’effectuer les mêmes mesures rhéologiques que les mobiles cylindres coaxiaux.

Mobiles de type ancre

Mobiles de type ancre

Mobiles pour la mesure de viscosité pour des produits hétérogènes ou ayant un aspect de solide mou au repos (cosmétiques, peinture, etc…). Ces mobiles sont à utiliser avec un godet pour l’application d’un gradient de cisaillement.

Mobiles type ailette - MS VANE

Mobiles type ailette

Mobiles pour la détermination de la viscosité de tout type de produits, même ceux de viscosité très élevée avec ou sans particules.

Mobiles de type T-Bar

Mobiles de type T-Bar

Mobiles rendant possibles les mesures sur des matériaux non-coulant tels que les pâtes, les gels ou les crèmes.


Il existe également des appareils appelés minuteurs de gélification (ou gel timers) permettant de quantifier, dans différentes configurations, le temps nécessaire à un produit avant que celui-ci ne se gélifie.
Le temps de gélification est déterminé en chronométrant le temps que mets un produit à opposer un certain couple sur une tige immergée dans ce dernier. Cet appareil est donc similaire à un viscosimètre, mais spécialement conçu pour déterminer le temps de gélification d’un produit.




8 - Accessoires additionnels pour étendre les fonctionnalités de votre système

Vous pouvez rendre votre système plus polyvalent en y ajoutant des accessoires.

Il est possible d’ajouter une unité de thermostatisation à votre système afin de réguler la température de votre produit pendant son analyse, pour contrôler au mieux l’environnement de mesure, la température étant un paramètre pouvant affecter significativement vos mesures (voir partie 6).

Par ailleurs, la plupart des systèmes peuvent être contrôlés par ordinateur. Ainsi, il est possible d’étendre ses fonctionnalités.
En effet, il est possible, à partir d’un viscosimètre pouvant effectuer seulement de simples mesures de viscosités, de l’utiliser pour tracer la courbe d’écoulement, obtenir le seuil d’écoulement, ou encore de faire des mesures thixotropiques sur un produit.




9 - Alternatives pour l’analyse de vos produits non-coulants

Certains produits ne peuvent être analysés avec un viscosimètre ou un rhéomètre, comme du beurre (dur) ou du rouge à lèvre par exemple.

Il existe donc également un appareil spécialement conçu pour analyser ce genre de produits, appelé analyseur de texture ou texturomètre. Cet appareil permet de caractériser un produit en le comprimant, en l’étendant, en le coupant, en le pliant ou en le cisaillant. Ce système permet ainsi de mesurer des propriétés physiques telles que la consistance, l’élasticité, la dureté, la fluidité ou la force d’adhésion. il peut être associé à une large gamme de sondes en fonction du type de produit analysé.