Matériaux et dispositifs expérimentaux

III.1. Matériaux

III.1.1. Les agglomérats

Noir de carbone

Nous avons utilisé deux noirs de carbone différents. Le Vulcan 10H est produit par Cabot et le CD2038 est produit par la Columbian Chemicals Company. Leurs caractéristiques sont présentées dans le tableau II-2. Bien que ces deux noirs aient des surfaces spécifiques et des tailles de particules très proches, le CD2038 est beaucoup plus structuré.

Surface spécifique Structure Taille des agrégats Noir de

carbone CTAB

(m2_{/g) (mg/g)} NI2 _(ml/100g) DBPA _(ml/100g) CDBPA Moyenne _(nm) Médiane _(nm)

Vulcan 10H 131.6 130.6 126.3 99.3 75 45

CD2038 121.6 133 182.3 136.2 85 55

Tableau II- 2: Caractéristiques des noirs de carbone utilisés dans l'étude (données industrielles).

La Figure II-9 représente des photographies des agrégats de ces deux noirs que nous avons réalisées au M.E.T. On arrive à distinguer un arrangement plus complexe des particules élémentaires dans le cas du noir le plus structuré.

(a) (b)

Figure II- 9: Microphotographies réalisées au MET d'agrégats (a) de Vulcan 10H et (b) de CD2038.

Silice

Quelques tests ont été réalisés sur des agglomérats de silice (Z1165MP) produits par Rhodia et préparés par précipitation. Ces agglomérats ont une surface spécifique de 148 m2/g (mesurée par BET) et une porosité de 66%. La taille moyenne des agrégats est de 48 nm.

III.1.2. Les fluides suspendants

Les fluides modèles

Une partie de notre étude a été réalisée dans des fluides modèles, transparents et liquides à température ambiante.

Des solutions aqueuses d'hydroxypropylcellulose (HPC) produit par Aqualon ont été choisies comme fluides viscoélastiques modèles. Nous avons utilisé trois types d'HPC de masses molaires différentes: le Klucel M (Mw = 1 000 000), le Klucel L ((Mw = 100 000) et le Klucel E (Mw = 60 000). Nous avons utilisé le protocole de préparation décrit par Tsakalos [Tsakalos 1995]. En préparant des solutions de différentes concentrations et de différentes masses molaires, nous avons pu obtenir un ensemble de fluides aux viscosités et aux élasticités variées. D'autre part, les solutions étant toutes préparées à partir du même polymère et les tensions de surface des solutions dépendant peu de la masse molaire, les interactions charge-fluide pour un type de substrat doivent être similaires.

A titre de comparaison, nous avons également réalisé quelques expériences dans des milieux considérés comme newtoniens pour la gamme des taux de cisaillement utilisés. Il s'agit de deux polydiméthylsiloxanes (PDMS) produits par Rhône-Poulenc (47V30000 et 47V200000).

Les élastomères

Nous avons utilisé des élastomères commerciaux non-vulcanisés. Un polybutadiène (BR) produit par EniChem, un polyisoprène (IR) produit par Goodyear et un copolymère vinyl-styrène-butadiene (SBR) produit par Bayer ont été sélectionnés. Quelques caractéristiques de ces élastomères sont présentées dans le tableau II-3.

élastomère BR IR SBR nom commercial Neocis BR-40 Natsyn RNS7477 Buna VSL5025-1

densité 0.92 0.92 0.94 Mw (kg/mol) 508 766 620 Mn (kg/mol) 132 205 260 Cis 1,4 (%) 97.5 élevé 10 huile (pce) 0 0 37.5 Viscosité de Mooney (ML 1+4 (100°C)) 38-44 74 45-55

Tableau II- 3: Caractéristiques des élastomères utilisés dans l'étude (données industrielles).

III.2. Dispositifs expérimentaux

III.2.1. La platine de cisaillement

Nous avons utilisé le montage rhéo-optique décrit dans le chapitre I.1. Ce système est constitué d'une platine de cisaillement LINKAM CSS450 montée sur un microscope optique. Nous rappelons que cette platine permet de travailler en température, mais que le cisaillement imposé par rotation du plan

inférieur ne permet pas de fixer, sous cisaillement, une particule dans le référentiel du laboratoire (voir figure II-10a).

(a) (b)

Figure II- 10: Comparaison du profil de vitesses dans (a) la platine de cisaillement et (b) le rhéomètre contra- rotatif.

Quelques tests réalisés avec les élastomères ont permis de monter qu'il est possible de cisailler jusqu'à des taux de cisaillement de l'ordre de 30s-1 _{des échantillons d'élastomère contenant quelques} agglomérats isolés dans la mesure où:

- on travaille avec des épaisseurs d'échantillon suffisamment faibles (<300 µm); - on travaille à des températures suffisamment élevées (>120°C);

- le cisaillement est imposé à l'échantillon de manière progressive (pas de saut brutal de 0 à 30s-1_, par exemple).

III.2.2. Le rhéomètre contra-rotatif

Le rhéomètre contra-rotatif développé par Seyvet [Seyvet 1999] permettait de travailler à température ambiante et de cisailler des échantillons de relativement faible viscosité (<1 000 Pa.s). Pour pouvoir travailler sur des élastomères, il a donc fallu modifier ce dispositif. Les premiers tests réalisés avec les élastomères dans la platine de cisaillement s'étant avérés concluant, nous avons développé au CEMEF un nouveau rhéomètre contra-rotatif permettant de travailler en température (jusqu'à 200°C) sur des produits très visqueux (outils pouvant être sollicités jusqu'à des couples de 13 N.m). Cet appareil, schématisé sur la figure II-11, se décompose en quatre parties principales:

• un dispositif permettant la rotation, à vitesse contrôlée, du plan inférieur composé des éléments suivants:

- un plan en verre de silice fondue (60 mm de côté et 3mm d'épaisseur) logé dans un support monté sur roulement à billes,

- un moteur entraînant la rotation du support mobile par une courroie de transmission,

x

écoulement y gradient des vitesses

0

- un four fixe avec une petite ouverture pour visualiser l'échantillon, maintenu en contact avec le plan en verre à l'aide de trois ressorts (chauffage par conduction);

• un système de cisaillement imposé par le plan supérieur composé des éléments suivants:

- un rhéomètre à vitesse imposée (Instron 3250) dont la cellule de cisaillement a été remplacée par un plan en verre de silice fondue de 40 mm de diamètre,

- un four amovible qui réfléchit la chaleur délivrée par un fil incandescent (chauffage par rayonnement) et qui permet de limiter les pertes de chaleur par le haut;

• un système optique composé d'une source de lumière blanche réfléchie perpendiculairement à travers les outils en verre par un prisme à 45° vers un microscope Wild-Leitz. Ce microscope peut se déplacer sous le plan inférieur dans les trois directions grâce à trois vis micrométriques;

• un système d'acquisition d'images composé d'une caméra vidéo COHU CCD adaptée sur le microscope et reliée à un moniteur, d'un magnétoscope et d'un générateur de code qui attribue un code à chaque image enregistrée.

La figure II-13 montre une vue d'ensemble du dispositif expérimental. La figure II-14 montre en plus gros plan la cellule de cisaillement.

Figure II- 11: Schéma du rhéomètre contra-rotatif: (1) moteur du plan supérieur, (2) plan supérieur, (3) four supérieur, (4) moteur du plan inférieur, (5) plan inférieur, (6) four inférieur, (7) support mobile du plan inférieur, (8) courroie d'entraînement du plan inférieur, (9) source de lumière blanche, (10) prisme à 45°, (11) microscope, (12) caméra, (13) ensemble vidéo (moniteur et magnétoscope).

La rotation des plans permet d'appliquer un cisaillement. Si les deux plans tournent dans des directions opposées, il existe une hauteur dans l'échantillon où la vitesse du fluide est nulle (Figures II-10b et II-

12). Un agglomérat positionné à cette hauteur dans l'entrefer sera donc immobilisé dans le repère du laboratoire et soumis à un taux de cisaillement

γ_&

(

)

h

R

ω

ω

γ&=

−

avec ωsup la vitesse de rotation du plan supérieur, ωinf la vitesse de rotation du plan inférieur, R la distance de l'agglomérat par rapport à l'axe de rotation du système et h la hauteur d'entrefer.

Figure II- 12: Représentation schématique du profil de vitesses dans le contra-rotatif.

Figure II- 13: Le rhéomètre contra-rotatif, vue d'ensemble.

h

ωsup

Figure II- 14: Le rhéomètre contra-rotatif, gros plan sur la cellule de cisaillement.

Les points forts de cet outillage sont sa capacité à cisailler des polymères de forte viscosité et un bon contrôle de la température. Sa principale faiblesse est l'incertitude sur le taux de cisaillement appliqué. L'erreur relative sur le taux de cisaillement est calculée comme la somme des erreurs relatives des différents paramètres déterminant le taux de cisaillement:

inf sup inf sup

ω

ω

ω

ω

γ

γ

−

∆

+

∆

+

∆

+

∆

=

∆

h

h

R

R

&

&

On estime l'erreur maximale réalisée sur la hauteur d'entrefer à 20µm (étalonnage, défauts de planéité) et à 350µm sur le rayon (légère dérive des particules selon l'axe de vorticité). L'erreur sur la vitesse de rotation des plans supérieur et inférieur est liée à de petites variations de la tension d'alimentation des moteurs. Après étalonnage de chacun des moteurs, on a estimé l'erreur maximale sur la vitesse de rotation de 0.0145 rad.s-1_{. Ainsi pour une hauteur d'entrefer et un rayon d'observation donnés, l'erreur} relative sur le taux de cisaillement va diminuer avec l'augmentation du taux de cisaillement (voir Figure II-15). Courroie d'entraînement Prisme Microscope Moteur supérieur Four supérieur

Figure II- 15: Erreur relative sur la mesure du taux de cisaillement dans le rhéomètre contra-rotatif pour une hauteur d'entrefer de 400µm et un rayon de 1mm.

IV. RÉSUMÉ DU CHAPITRE II.2: INFLUENCE DE LA