Qu’est-ce qu’un rhéomètre capillaire ?
Un rhéomètre capillaire est un appareil de mesure utilisé pour évaluer la contrainte de cisaillement et la viscosité des matériaux en écoulement.
Il peut également mesurer des échantillons chauffés à haute température et sert à évaluer les propriétés physiques des matériaux plastiques et d’autres matériaux solides à température ambiante. Ils peuvent également évaluer les propriétés rhéologiques liées à la viscosité d’un matériau et à sa fluidité lorsque la pression et la température sont appliquées.
Les propriétés rhéologiques sont celles liées à la réaction d’un échantillon lorsqu’une force externe lui est appliquée. Les échantillons solides, tels que les plastiques, sont chauffés dans l’instrument jusqu’à ce qu’ils deviennent liquides. L’échantillon chauffé est ensuite introduit dans un tube fin, appelé “capillaire”, et extrudé à différentes vitesses.
Le rhéomètre capillaire mesure la viscosité de la matière fondue en fonction de la vitesse d’extrusion. Il est dénommé ainsi car il évalue les propriétés physiques en extrudant à travers un passage étroit.
Utilisations des rhéomètres capillaires
Les rhéomètres capillaires sont utilisés pour le traitement des matériaux thermoplastiques et le réglage des conditions de décharge dans le façonnage par injection. En règle générale, la transformation des matières plastiques nécessite l’application d’une pression élevée à des températures élevées.
De plus, certains matériaux présentent un changement non linéaire de la viscosité (diminution ou augmentation soudaine de la viscosité) en fonction de la force externe appliquée, une propriété connue sous le nom de “liquides non newtoniens”. La viscosité de l’échantillon en fonction de la pression et de la température doit donc être étudiée pour définir les conditions optimales de traitement et de distribution. Les rhéomètres capillaires ont donc pour rôle de définir les conditions optimales des procédés de fabrication des matériaux polymères et composites tels que les plastiques.
Principe des rhéomètres capillaires
Le principe d’un rhéomètre capillaire revient à mesurer la force de poussée et la vitesse à laquelle un liquide est poussé hors d’une seringue. Un matériau thermoplastique est chauffé pour le rendre fluide, puis extrudé d’un cylindre dans un passage étroit appelé “filière capillaire”.
La contrainte de cisaillement et la viscosité du matériau à la température d’essai sont déterminées à partir de la pression et de la vitesse à laquelle l’échantillon est extrudé. Selon l’instrument, des mesures de gonflement de la filière, d’audibilité de la matière fondue (tension de la matière fondue) et de viscosité en extension peuvent également être effectuées.
Structure des rhéomètres capillaires
Les rhéomètres capillaires comportent un passage étroit appelé “filière capillaire” à une extrémité du cylindre et un piston à l’autre extrémité du cylindre qui pousse l’échantillon chauffé vers l’extérieur. La structure est conçue pour avoir un manomètre qui mesure la pression dans le cylindre lorsque l’échantillon est expulsé et un plongeur qui mesure la vitesse à laquelle celui-ci se déplace lorsqu’il expulse l’échantillon.
Caractéristiques des rhéomètres capillaires
1. Efficaces pour l’évaluation rhéologique
Les rhéomètres capillaires se caractérisent par leur capacité à mesurer à des températures élevées et à des forces importantes (cisaillement élevé). Bien que la limite supérieure varie d’un instrument à l’autre, il peut être chauffé jusqu’à 400°C ou plus, ce qui le rend utile pour évaluer la viscosité des plastiques fondus. Les forces de cisaillement sont également extrêmement élevées, jusqu’à 1 000 000/seconde. Cela permet d’étudier la fluidité des échantillons lorsque des forces importantes sont appliquées. Il est important d’étudier le comportement des échantillons soumis à un tel cisaillement, car la transformation des matières plastiques implique souvent des forces très élevées lors de la décharge.
2. Utile pour évaluer les produits soumis à un cisaillement élevé
En plus des matières plastiques, les rhéomètres capillaires servent également à évaluer les produits soumis à un fort cisaillement lorsqu’ils sont extrudés de leur contenant, tels que le ketchup, la mayonnaise et d’autres produits alimentaires, ainsi que les gels cosmétiques. Ils peuvent être utilisés à température ambiante, et la large gamme de forces de cisaillement appliquées aux échantillons ainsi que la grande précision des rhéomètres permettent d’étudier le comportement de décharge des aliments et des produits cosmétiques qui s’écoulent de leurs contenants.
On se sert également d’eux afin de pouvoir mesurer la viscosité à des taux de cisaillement variables. De ce fait, l’échantillon est évalué en traçant une courbe de la viscosité à l’état fondu en fonction du taux de cisaillement.