1.5 La structure induite sous cisaillement (Shear Induced Structure : SIS)
1.5.1 Propriétés de la SIS
La SIS est une phase fortement alignée : en rhéo-optique, le rhéoépaississement est associé à une forte augmentation de l'intensité de la biréfringence (∆n) au taux de cisaillement critique. Au même moment, l'angle d'extinction (χ) décroît brusquement et se rapproche de la valeur nulle, indiquant un fort alignement local des micelles dans le sens de l'écoulement [3, 10, 13, 58, 71].
Berret et al. [81] ont eectué des mesures de biréfringence sur le système CTAT/D2O à T = 25 ◦C, en régime stationnaire et transitoire, ainsi que des observations qualitatives. Leurs résultats ont montré que l'augmentation de la viscosité (la partie rhéoépaississante) est liée à l'émergence d'une phase alignée dans le sens de l'écoulement.
Les résultats de la DNPA ont conrmé les mêmes observations que celles obtenues en rhéo-optique. L'anisotropie du spectre de diusion augmente avec le taux de cisaillement dans l'intervalle du gradient de vitesse du rhéoépaississement. Cette augmentation de l'anisotropie indique un alignement de la structure dans le sens de l'écoulement [8, 54]. Homann et al. [9] avancent la possibilité qu'il y ait une formation de colliers de micelles orientées, dans le sens de l'écoulement.
La phase nématique : le système CPyCl (dont la concentration varie de 20 mM à 60 mM), présente le comportement d'un uide de Maxwell simple. Sous écoulement de cisaillement, les micelles s'organisent en paquets de microcristaux, créant localement des phases nématiques [82].
La DNPA a démontré qu'au sein de la solution de C16TAB à 50 mM, les micelles s'auto-organisent de manière ordonnée (phase cristal-liquide) aux taux de cisaillement élevés [83].
Pour expliquer le processus de rhéoépaississement, Homann et al. (1991) [9] proposent une théorie selon laquelle la solution subit une transition vers un état pseudo-nématique. La SIS a les propriétés d'un gel : la formation de la SIS dans l'écoulement de cisaillement est induite par une transition de phase de type sol-gel. Cette transition est observée dans les solutions de faible concentration [3, 10, 13, 42, 58]. La gélation apparaît lorsque la vitesse de cisaillement est susamment élevée pour surmonter la rotation
brownienne des micelles.
Ohlendorf et al. (1986) [74] ont quantié la valeur du gradient de vitesse critique qui correspond à la gélation et proposent la formule suivante :
˙
γc∝ KBT
πµL3 (1.5.1)
où Lla longueur des bâtonnets (micelles cylindriques) et µla viscosité de la solution. Des observations expérimentales eectuées sur un système micellaire montrent qu'au gra-dient de vitesse critique, un phénomène cyclique de formation et de destruction d'une phase gel apparaît [5].
Le glissement mesuré dans l'écoulement du TTAA/NaSal s'avère être une conséquence du développement d'un gel. Ce phénomène s'opère entre les couches d'un gel (SIS) et la paroi du cylindre tournant [7].
La coexistence de phases : Kalus et al. (1989) [58] ont trouvé que deux types de micelles coexistent. Un premier type désigné micelle I est formé de petits agrégats cy-lindriques faiblement orientés. Le second type, micelle II, correspond aussi à des micelles cylindriques, mais de plus grande taille et orientées dans le sens de l'écoulement même aux faibles taux de cisaillement.
Quelques années plus tard, grâce à la même technique, d'autres études ont conrmé l'exis-tence de deux phases. Cette interprétation est basée sur la présence de deux pics symé-triques dans les gures de diusion [47, 83]. Sous l'eet du cisaillement, le nombre de micelles I diminue en s'agrégeant, pour former des micelles plus grandes : les micelle II [47, 83].
Dans une autre étude, Berret et al. (1998) [81] ont conrmé les hypothèses de Kalus et al. [58]. Ils ont montré l'existence d'une phase I pûrement visqueuse et d'une phase II en-chevêtrée, d'où le caractère viscoélastique de cette phase. Aux taux de cisaillement élevés la phase I disparaît pour ne voir que la phase II prédominer [81].
Les premières visualisations de la SIS sur un système micellaire ont été rapportées par Liu et Pine en 1996 [5], et sont reproduites dans la gure 1.5.1. La solution étudiée est le C16TAB/NaSal à une concentration de 150 ppm. La technique utilisée permet de visualiser la solution dans la direction de le plan vorticité-gradient de vitesse. Les images montrent que la SIS se présente sous la forme d'une zone plus brillante au voisinnage du cylindre tournant. Cette dernière coexiste avec une phase sombre, qui est la Phase Fluide (PF).
Il s'agit d'une phase similaire à la solution de départ (au repos), mais moins visqueuse que la SIS. Toujours selon Liu et Pine (1996) [5], l'apparition de la SIS suit un processus continu de croissance et de rétractation. La période dure plusieurs minutes et correspond à la période des uctuations de la contrainte.
Fig. 1.5.1 Première visualisation de la structure induite sous cisaillement (SIS) sur un système C16TAB/NaSal a une concentration de 150 ppm. Schéma extrait de la référence [5].
Boltenhagen et collaborateurs [6, 7, 11, 12, 84] ont réalisé une analyse an de faire le parallèle entre les données rhéologiques et les données de visualisation. Cette méthode a permis de conclure que l'augmentation de la viscosité est due à l'apparition d'une nouvelle structure induite sous cisaillement (SIS) au voisinage du cylindre tournant. L'épaisseur de la SIS croît avec la vitesse de cisaillement, jusqu'au remplissage maximal de l'entre-fer. On peut aussi observer un écoulement inhomogène où les deux phases coexistent [6, 7, 11, 12, 84].
La mesure de l'hystérésis permet de caractériser la réversibilité du comportement rhéolo-gique. Ce type d'écoulement a été rapporté sur deux solutions rhéoépaississantes [76, 78]. Une diérence importante pour les temps courts a été observée entre les courbes de charge/décharge. C'est la marque d'une coexistence de phase [76].
En rhéométrie transitoire, l'augmentation de la viscosité en fonction du temps est la si-gnature de la formation progressive d'une phase induite (SIS). Pendant la formation de la SIS, cette dernière coexiste avec une phase moins visqueuse appelée Phase Fluide (PF) [5, 6, 7, 12].