Modifier la rhéologie d'un produit

Les qualités requises pour une bonne rhéolo-

gie

Influence des matières premières sur la rhéo-

logie

Additifs rhéologiques

 

6. Modifier la rhéologie d’un produit

 

Nous avons vu au chapitre précédent comment établir le profil rhéologique d’un produit en traçant son rhéogramme. À chaque produit correspond un rhéogramme idéal répondant aux exigences du client (selon le mode d’utilisation et les propriétés attendues). Il est ainsi possible de définir un « cahier des charges rhéologique » définissant le comportement attendu aux différents moments de la vie du produit : fabrication, stockage, application, etc. Pour atteindre les objectifs de ce cahier des charges, il est essentiel de bien sélectionner les matières premières entrant dans la composition de la formule. Mais cela ne suffit généralement pas : on recourt alors à des additifs rhéologiques (principalement des épaississants) permettant de corriger spécifiquement certaines propriétés : viscosité à haut ou à bas gradient, seuil d’écoulement, thixotropie, etc.

L’objectif de ce chapitre est de montrer comment la structure chimique des matières premières influe sur la rhéologie du produit, de décrire le mode d’action des différents épaississants afin d’être en mesure de les sélectionner de manière pertinente.

 

6.1 Les qualités requises pour une bonne rhéologie

6.1.1 Stockage

Dans les formules contenant des pulvérulents, ceux-ci peuvent sédimenter sous l’effet de la gravité au cours d’un stockage parfois très long. La stabilité au stockage est également appelée tenue en pot. La loi de Stokes permet d’évaluer la vitesse de sédimentation, et plus généralement la vitesse de descente (ou de montée, selon la

densité) d’une sphère rigide dans un fluide visqueux (voir figure 6.1) :

( 2 ρ s ρ − ) .D.g

v f = (6.1)

z 18 η

v -1 z est la vitesse de descente en m.s (vz > 0 dans le cas de la sédimentation) ρ -3 et sont respectivement les masses volumiques du solide et du milieu en kg.m ρ

s f

D est le diamètre de la sphère en m 86 Chapitre 6. Modifier la rhéologie d’un produit

g -2 est l’accélération de la pesanteur en m.s η est la viscosité dynamique du fluide à bas gradient de vitesse (en Pa.s).

 

Figure 6.1 – Sphère en descente dans un fluide visqueux sous l’effet de la gravité

Exercice 6.1 — Démonstration de la loi de Stokes. À partir d’un bilan des forces

appliqué à la sphère, retrouver la loi de Stokes. La vitesse vz sera calculée au moment

où le régime permanent est atteint, c’est-à-dire quand le mouvement est rectiligne

uniforme. On considère que les 3 forces suivantes s’exercent sur la sphère de rayon R :

 

Force de gravitation : − → 4 3 F 1 = − .π.R.ρs.g.~ uz 3 − → 4 3 Poussée d’Archimède : F 2 = .π.R .ρ f .g. ~ u z 3 − → Résistance du milieu : F = − 6 3 .π.η.R. ~ v

Exercice 6.2 — Évaluation d’une vitesse de sédimentation

1. Évaluer la vitesse de sédimentation d’une suspension de carbonate de calcium

dans l’eau (à 20 ˚C), les particules ayant un rayon R=10 µm.

2. Supposons que la suspension soit réalisée dans un récipient de hauteur h = 20

cm. En combien de temps y aura-t-il sédimentation complète du carbonate de calcium ?

3. Quelle doit être la valeur de la viscosité du milieu pour ramener cette durée à

une semaine ?

4. Comment varie le temps de sédimentation si le rayon des particules est multiplié

par 10 ?

Données :

Viscosité de l’eau à 20 ˚C : -3 η = 10 Pa.s

Densité spécifique du carbonate de calcium : -3 ρ s = 2750 kg.m

L’augmentation de la viscosité à bas gradient de vitesse permet d’améliorer la tenue au

stockage. Idéalement, un comportement à seuil (plastique idéal ou non idéal) permet de figer les particules en suspension dans le milieu et donc d’empêcher toute sédimentation. La loi de Stokes nous indique qu’il est possible de jouer sur d’autres facteurs : l’utilisation de particules fines, ainsi qu’une bonne dispersion de celles-ci ralentit fortement la vitesse 6.1 Les qualités requises pour une bonne rhéologie 87

de sédimentation. La différence de masse volumique entre les particules et le milieu joue également un rôle, mais le formulateur a peu de prise sur ce paramètre.

 

6.1.2 Prise en main du produit

La prise en main du produit prend des formes diverses selon sa nature. Voici quelques exemples de propriétés à prendre en compte :

• Tenue d’un shampooing dans la main au moment de l’application. Un shampooing

trop liquide a tendance à couler entre les doigts. Cette propriété est liée à la viscosité du shampooing à bas gradient de vitesse.

• Transfert d’une peinture vers le support sans coulures. Cette caractéristique est

encore liée à la viscosité à bas gradient de vitesse.

• Extrusion d’un dentifrice hors de son conditionnement (gradient de vitesse : environ

1 s-1).

• Onctuosité d’une crème dessert, comportement au mélange. Il s’agit ici de la

viscosité à moyen gradient de vitesse (environ 10 à 100 s-1).

 

6.1.3 Utilisation, application

Les propriétés d’application sont souvent liées à la viscosité à haut gradient de vitesse (au delà de 100 s-1). Ici, il faut en général trouver un compromis : un produit trop visqueux sera désagréable à appliquer, alors qu’un produit trop liquide risque d’être trop « maigre » à l’application (épaisseur déposée insuffisante). Quelques exemples :

• -1 Étalement d’une crème solaire (gradient de vitesse : environ 100 s). On recherche

ici un compromis entre l’applicabilité (facilité d’étalement, sensation agréable) et le garnissant (capacité du produit à se déposer en couches épaisses).

• Application d’une colle en bâtonnet ou d’un rouge à lèvres (gradient de vitesse :

environ 100 à 1000 s-1).

• 3 4 -1 Application d’une peinture au rouleau (gradient de vitesse : environ 10 à 10 s).

Comme pour la crème solaire, on recherche un compromis entre la brossabilité (facilité d’application) et le garnissant.

• 6-1 Pulvérisation d’un déodorant (gradient de vitesse : environ 10 s). Ici, il faut que

le brouillard soit suffisamment fin (viscosité basse) pour que le produit s’applique en fines couches.

 

6.1.4 Propriétés après application

Le retour au repos, c’est-à-dire le comportement du produit une fois la contrainte relâchée, est également très important. Cette propriété dépend beaucoup de la thixotropie du produit : la viscosité après cisaillement d’un produit très thixotrope demeurera faible durant le temps nécessaire à la reprise de viscosité (restructuration) ; à l’inverse, la viscosité d’un produit non thixotrope reprendra instantanément sa valeur de départ. Là encore, il y a souvent un compromis à trouver pour obtenir un comportement idéal :

• Viscosité trop basse à bas gradient de vitesse après cisaillement : tendance à la

coulure.

• Viscosité trop haute à bas gradient de vitesse après cisaillement : problème d’aspect

(traces d’application, tendu insuffisant) ou mauvais étalement (adhésif qui ne couvre pas bien la surface d’une pièce à coller, par exemple).