Mesures fiables depuis la préparation des échantillons jusqu‘à l‘interprétation des résultats

La rhéologie pour le contrôle qualité - De meilleursrésultats rhéologiques

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Pouvez-vous vous fier à vos résultats de mesure rhéologique ? Ce livre blanc offre unaperçu de l’importance des procédures opérationnelles normalisées (SOP) et de ceque vous devez prendre en considération lorsqu’il s’agit de mesures rhéologiques.

Les procédures opérationnelles normalisées (SOP) pour la rhéologie courante offrent l’opportunité d’améliorerl’efficacité, la sécurité, la qualité et l’homogénéité grâce à des instructions écrites et détaillées étape par étape.Une SOP garantit une qualité permanente des résultats, même lorsque des opérateurs non aguerris procèdentaux tests.Ce livre blanc décrit le développement d’une SOP efficace et exhaustive pour les mesures rhéologiques dans lecontrôle qualité. Le rhéomètre, les accessoires et le logiciel sont pris en considération.

• Plans, cônes, cylindres coaxiaux. Lesquels sont les plus adaptés ?• Considérations d’échantillonnage. À quoi dois-je penser pour l’historique d’échantillonnage, l’évaporation,

le glissement, etc. ?• Chargement de l’échantillon, découpe et comblement de l’entrefer. Comment garantir le remplissage

optimal de l’échantillon ?• Gestion des utilisateurs, évaluation des mesures et des données. Quelles capacités offre le logiciel pour

supporter les mesures courantes du contrôle qualité ?

Ce guide fournit des réponses à ces questions et à bien d’autres.

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NOTE D’APPLICATION

AuteursAuteursAuteursAuteursAuteursCornelia Küchenmeister-Lehrheuer at Klaus Olddörp Thermo Fisher Scientific, Karlsruhe, Allemagne

Bien préparés pour de bons résultats

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IntroductionIntroductionIntroductionIntroductionIntroductionCes dernières années, les exigences relatives à la fiabilitédes résultats des tests rhéologiques ont considérablementaugmenté, comme pour la plupart des méthodes analy-tiques. Les résultats des tests ne peuvent être utilisés pourune comparaison des substances ou une caractérisationfiables que s’ils peuvent être produits et facilementreproductibles.

Sur la base de résultats de test corrects, il est par exemplepossible pour le service qualité de comparer différentsmatériaux entrants ou différents lots issus de la production,indépendamment du fait que ces résultats aient été ounon produits sur des instruments différents ou même surdes sites différents. Il est néanmoins essentiel d’utiliserun viscosimètre ou un rhéomètre avec une géométrie demesure qui donne des résultats absolus, comme parexemple des cylindres coaxiaux (CC), des plateauxparallèles (plan-plan, PP) ou des géométries cône-plan(CP). Selon la nature de l’échantillon, il peut égalementêtre nécessaire de s’accorder sur le processus de testet la méthode d’évaluation des données.

Chaque résultat de test comporte une marge d’erreur, cequi est la somme de nombreux effets principalement liésà l’échantillon, l’instrument et la manipulation. En prenantl’exemple des géométries PP et CP, ce rapport décrit lapréparation d’un test rhéologique destiné à démontrer leserreurs possibles et comment les minimiser. Il est supposéque le rhéomètre a été installé correctement sur unesurface bien plane.

Cone ou plan? Comment choisir la bonneCone ou plan? Comment choisir la bonneCone ou plan? Comment choisir la bonneCone ou plan? Comment choisir la bonneCone ou plan? Comment choisir la bonnegéométrie géométrie géométrie géométrie géométrie de mesurede mesurede mesurede mesurede mesureLes géométries de mesure classiques disponibles pour lesrhéomètres Thermo ScientificTM HAAKETM ont un sommetéquipé d’une encoche (Fig. 1). L’axe du moteur comporteune aiguille qui s’adapte dans l’encoche permettant ainsià la géométrie d’être toujours montée uniquement dansla même position par rapport au rotor du moteur.

Fig. 1:Fig. 1:Fig. 1:Fig. 1:Fig. 1: géométrie de mesure classique avec un sommet équipé d’uneencoche (à gauche) et une géométrie de mesure Connect Assist avecune marque sur son arbre en céramique pour un montage défini (àdroite).

Les toutes nouvelles géométries de mesure Connect Assistont une marque qui peut être alignée sur une marque simi-laire du rhéomètre pour obtenir le même effet. Lorsqu’uncalibrage comme le MicroStressControl (MSC) [1] est effectuépour améliorer la qualité des données dans le couple à basrégime (nNm), ses résultats peuvent égale-ment être utiliséspour des tests ultérieurs puisque l’ensemble de la configu-ration moteur plus géométrie de mesure est toujoursassemblé exactement de la même façon.

Les plateaux de mesure utilisés comme partie inférieuredes géométries PP ou CP sont également conçus pourn’être montés que dans une seule position (Fig. 2) [2].

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Fig. 2: Fig. 2: Fig. 2: Fig. 2: Fig. 2: pour nos géométries PP et CP, les plateaux de mesure TMP avecdiamètres correspondants sont disponibles. L’encoche sous la marquesur les TMP glisse au-dessus de l’aiguille dans l’unité de contrôle de latempérature pour un positionnement facile et précis.

Fig. 3: Fig. 3: Fig. 3: Fig. 3: Fig. 3: détermination automatique de l’entrefer zéro en utilisant lemode moniteur.

Dans une géométrie CP, la vitesse de cisaillement est homo-gène dans tout l’échantillon, alors que dans une géométriePP, la vitesse de cisaillement diminue de sa valeur maxi-male au bord à zéro au centre de la géométrie. Lorsquedes échantillons non newtoniens sont testés avec unegéométrie PP, les valeurs de viscosité comportent toujoursune erreur intrinsèque parce que différentes parties del’échantillon sont exposées à des vitesses de cisaillementdifférentes. Par conséquent, lorsque c’est possible, il estpréférable d’utiliser une géométrie CP pour les tests de visco-sité. Toutefois, du fait de la plus grande flexibilité concernantla mesure d’entrefer, les géométries PP sont le meilleur choix,et parfois le seul, pour de nombreuses applications.Le diamètre de la géométrie doit être choisi en fonction dela viscosité de l’échantillon. Pour des échantillons de typeaqueux, il est recommandé d’utiliser des cônes ou desplateaux du plus grand diamètre (60 mm). Plus la viscositéaugmente, plus le diamètre doit être petit. Par exemple,pour du bitume ou du caoutchouc dur, un plateau de 8 mmest souvent le meilleur choix.

Pour des géométries PP et CP, la quantité adéquate d’échan-tillons devient plus importante pour des petits volumesd’échantillons et de grands effets de bord. Par conséquent,charger la quantité adéquate d’échantillons devient plusimportant pour les petits diamètres, les plus petits entreferset les viscosités plus élevées.

Determination de l’entrefer zDetermination de l’entrefer zDetermination de l’entrefer zDetermination de l’entrefer zDetermination de l’entrefer zéééééro - rro - rro - rro - rro - réééééfffffééééérencerencerencerencerencepour la mesure d’entreferpour la mesure d’entreferpour la mesure d’entreferpour la mesure d’entreferpour la mesure d’entreferLorsqu’un cône, un plan ou le plateau de mesure inférieura été monté, p. ex. après qu’il doit être retiré de l’instru-ment pour nettoyage ou lorsqu’une géométrie différentea été sélectionnée, le point zéro axial de la géométrie doitêtre déterminé. En d’autres termes, la position axiale oùla partie supérieure de la géométrie de mesure touche lapartie inférieure est nécessaire comme point de référencepour le paramétrage précis de la mesure de l’entrefer. Touteerreur de l’entrefer zéro mène automatiquement à uneaugmentation du taux d’erreur au niveau des résultats dutest imputable à une mauvaise taille de l’entrefer au coursdu test.

Fig. 4:Fig. 4:Fig. 4:Fig. 4:Fig. 4: détermination automatique de l’entrefer zéro en utilisant l’élé-ment de contrôle de l’élévateur au cours d’un test. Ici, un messagedéfini par l’utilisateur a été activé pour demander à ce que l’échan-tillon soit placé dans la géométrie.

L’entrefer zéro peut être déterminé manuellement en utili-sant le mode moniteur dans le gestionnaire de tâches(Job Manager) du logiciel du rhéomètre Thermo ScientificTM

HAAKETM RheoWinTM (Fig. 3). Lorsque l’on utilise un instru-ment avec un ascenseur automatique (p. ex. un rhéomètreThermo ScientificTM HAAKETM MARSTM), il est recommandéd’inclure une détermination d’entrefer zéro automatiquedans la tâche HAAKE RheoWin (Fig. 4). Cela évite d’oubliercette étape importante et mène à un entrefer zéro déter-miné précisément indépendamment de l’intervention del’utilisateur.

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Choisir une mesure d’entrefer appropriChoisir une mesure d’entrefer appropriChoisir une mesure d’entrefer appropriChoisir une mesure d’entrefer appropriChoisir une mesure d’entrefer appropriéééééeeeeeL’une des différences fondamentales entre les géométriesPP et CP est liée à la mesure de l’entrefer. Pour chaquecône, il n’existe qu’un seul entrefer correct, égal à la tron-cature de la pointe du cône. Au cas où un entrefer différentserait nécessaire, un cône avec un angle de cône différentdoit être utilisé. Pour les angles de cônes types comprisentre 0,5° et 4°, l’entrefer est généralement compris en25 μm at 140 μm.

En revanche, la mesure d’entrefer d’une géométrie PPpeut varier dans une certaine plage et les conditions demesure peuvent donc être adaptées aux propriétés del’échantillon.

La mesure d’entrefer pour toute géométrie CP ou cylindriquefait partie de son ensemble de paramètres individuels, mesu-rés et calculés sur la base de ses dimensions. Après laproduction, chaque partie est mesurée précisément et sondiamètre, l’angle du cône et sa troncature imprimés surun certificat individuel inclus dans la case géométrie. Pourles géométries de mesure classiques, ces paramètres ontété saisis manuellement dans HAAKE RheoWin une foiset sont ensuite automatiquement disponibles dès lors quela géométrie est utilisée pour un test. Avec les géométriesConnect Assist, tous les paramètres appropriés serontautomatiquement transmis à HAAKE RheoWin lorsque lagéométrie sera montée dans le rhéomètre.

Pour les géométries PP et CP, la règle qui s’applique con-siste en une mesure d’entrefer qui doit être d’au moins 5fois le diamètre de la particule la plus grosse de l’échantillonpour pouvoir mesurer l’échantillon dans son ensemble.Dans le pire des cas, certaines particules plus grosses pour-raient s’accumuler sous le cisaillement et bloquer l’entreferentraînant des données sonores voire un endommagementde la surface de la géométrie de mesure. Par exemple,une suspension avec des particules allant jusqu’à 100 μmde diamètre nécessite un entrefer d’au moins 0,5 mm.Dans ce cas, seule une géométrie PP peut être utiliséeparce que les géométries CP avec un angle supérieur à4° ne seraient pas conformes aux normes actuelles et, parconséquent, n’existent pas. Le facteur 5 est juste une règleempirique. En fonction des caractéristiques des particules,il peut même être nécessaire de sélectionner un entreferplus important.

Lorsque l’on procède à des tests sur des écumes ou desémulsions, la mesure de l’entrefer doit être choisie en fonc-tion du diamètre des gouttelettes ou des bulles les plus

Pour éviter toute erreur due à la dilatation ou au rétrécisse-ment thermique de la géométrie de mesure, l’entrefer zérodoit être déterminé à la température et le test démarré parla suite. La partie supérieure de la géométrie peut êtrepositionnée sur le plateau de mesure inférieur dont la tempé-rature est directement contrôlée. Une fois que la lecturede la température demeure constante, la partie supérieurede la géométrie a besoin de temps additionnel pour égale-ment adapter sa température. Si cela est fait alors que lagéométrie supérieure a déjà été montée, il convient devérifier soigneusement que le palier à air du rhéomètre n’estpas endommagé par la géométrie en expansion, par exemp-le en paramétrant une petite force normale constante.Après que chaque partie de la géométrie de mesure a atteintla température adéquate, l’entrefer zéro peut être déterminéet il sera mémorisé comme point de référence pour lamesure de l’entrefer.

Historique d’Historique d’Historique d’Historique d’Historique d’éééééchantillonnagechantillonnagechantillonnagechantillonnagechantillonnageLe prétraitement de l’historique de l’échantillon peut jouerun rôle crucial dans l’obtention de données correctes etreproductibles. L’utilisateur doit concevoir la méthode detest en gardant à l’esprit que l’échantillon doit être en équi-libre thermique et mécanique avant le démarrage du testrhéologique, c’est-à-dire en accordant un temps d’attentesuffisamment long entre le comblement de la mesured’entrefer et le début du test. Pendant cette période, lastructure d’un échantillon thixotropique, par exemple, peutretrouver son intégrité après sa destruction partielle aucours de la procédure de chargement et de fermeture.

Dans certains cas, il est impossible d’atteindre un équilibrestable avant de commencer le test rhéologique. Des échan-tillons subissant une réaction chimique comme les collesou les enduits sont des exemples classiques. Lors de lamanipulation de ce type d’échantillons, chaque étape de lapréparation de l’échantillon doit être faite en suivant tou-jours la même chronologie et le même séquençage pourcommencer tous les tests avec un même état de l’échan-tillon afin d’obtenir des données comparables. Dans le casd’échantillons présentant un rétablissement structurel trèslong, comme par exemple les revêtements thixotropiques,un pré-cisaillement défini dans le rhéomètre permet decommencer le test au moins à partir du même degré dedommage structurel, ce qui induit des résultats comparables.Les fluides newtoniens ne présentent pas les effets men-tionnés ci-dessus. Ici, l’accent doit être mis „seulement“sur le fait d’obtenir un équilibre thermique correct et deremplir l’entrefer de façon appropriée, ce que nous verronsplus en détail ci-dessous.

Particulièrement lorsque des accessoires spéciaux sont uti-lisés, comme par exemple un revêtement avec un piège àsolvant pour minimiser l’évaporation du solvant dans l’échan-tillon ou une géométrie de mesure avec une surface sabléeou striée pour éviter le glissement, le même paramétragedoit être utilisé pour produire des résultats comparables.

Le volume d’échantillons nécessaire pour le remplissagecorrect d’une géométrie de mesure peut être trouvé dansle logiciel HAAKE RheoWin dans la section propriétés de lagéométrie (Fig. 5) et dans l’annexe du manuel du rhéomètre.

Fig. 5:Fig. 5:Fig. 5:Fig. 5:Fig. 5: logiciel HAAKE RheoWin affichant le volume d’échantillons pourremplir correctement l’entrefer. Dans cet exemple d’un cône C35/2° Ti L,tous les paramètres de géométrie, incluant l’entrefer et le numéro desérie, ont été lus à partir de la géométrie après l’avoir montée dans lerhéomètre.

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Pour un ajustement correct de l’échantillon, la spatule estdéplacée autour de l’échantillon total en utilisant le côté duplateau inférieur comme guide (Fig. 8a). Suite à cela, onvérifie visuellement le contour pour s’assurer que tout excès abien été retiré. Cette étape peut être répétée si nécessaire.

Plus particulièrement lorsque l’on doit découper des échan-tillons très visqueux, il est possible qu’un peu d’excèsd’échantillon soit repoussé sur la bordure de la géométriesupérieure. Au cours de la procédure de test, ce matériaupeut s’écouler à nouveau, entraînant des effets de bordperturbants qui ont donc une mauvaise influence sur la qua-lité des données. Il est ainsi recommandé, particulièrementpour les échantillons très visqueux et les géométries depetit diamètre, de retirer l’excès de matériau restant surle bord de la géométrie supérieure (Fig. 8b).

Enfin, la géométrie se déplacera jusqu’à la position demesure et l’échantillon présentera un léger renflement sursa bordure tel qu’indiqué sur la Fig. 9.

grosses. Autrement, les propriétés de l’échantillon pourraientêtre déjà modifiées simplement parce qu’il est inclus dansla mesure de l’entrefer.Lorsqu’une mesure d’entrefer suffisamment large est utili-sée, comme par exemple 1 mm avec une géométrie PP,tout type d’erreur dans le parallélisme peut être omis du faitde la tolérance de fabrication. Pour les très petits entrefers,ces petites imperfections peuvent mener à une erreur dela détermination de l’entrefer zéro et donc de la mesured’entrefer elle-même. Une plus grande incertitude doit êtreprise en compte pour les résultats de tests recueillis avecde très petits entrefers ou une plus grande attention doitêtre accordée lors de la production et de l’ajustement descomposantes pour un tel test.

Chargement de l’Chargement de l’Chargement de l’Chargement de l’Chargement de l’éééééchantillon, dchantillon, dchantillon, dchantillon, dchantillon, dééééécoupe decoupe decoupe decoupe decoupe del ’l ’l ’l ’l ’éééééchantillon, remplissage de l’entrefer:chantillon, remplissage de l’entrefer:chantillon, remplissage de l’entrefer:chantillon, remplissage de l’entrefer:chantillon, remplissage de l’entrefer:dddddééééétermination de l’entrefer optimaltermination de l’entrefer optimaltermination de l’entrefer optimaltermination de l’entrefer optimaltermination de l’entrefer optimalDans des conditions idéales, l’échantillon remplit complè-tement la mesure d’entrefer et sans aucune bulle d’air.Autour du bord d’une géométrie PP ou CC, la surfaceouverte de l’échantillon doit faire un léger renflement versl’extérieur.

En fonction de la consistance de l’échantillon, un outil appro-prié doit être utilisé pour insérer l’échantillon dans la géo-métrie de mesure. Pour les échantillons de faible viscosité,il est possible d’utiliser une pipette. Pour les échantillonsde viscosité plus élevée ou ayant une texture plus dure, ilconvient d’utiliser une spatule ou une cuillère. Les échan-tillons ayant une structure fragile doivent être cisaillés lemoins possible au cours de la procédure de chargementpour réduire au maximum les risques d’endommager lastructure. En général, l’échantillon doit être placé au centrede la géométrie.

La quantité optimale d’échantillons est disponible dans lesparamètres pour chaque géométrie de mesure listée dansHAAKE RheoWin (Fig. 5). Il est recommandé de légèrementsur-remplir la géométrie en premier lieu afin d’éviter qu’ilreste de l’air dans la mesure d’entrefer après l’avoir fermée.Le sous-remplissage de la mesure d’entrefer doit être évitéen toutes circonstances!

Après avoir fermé la géométrie de mesure, l’échantillon doitêtre découpé, c’est-à-dire que l’excès d’échantillon qui aété comprimé à l’extérieur de l’entrefer doit être retiré avecun outil approprié. Dans la mesure où cette procédurepermet d’obtenir un contour d’échantillon droit, il estrecommandé de d’abord atteindre la position de découpeau-delà de la mesure d’entrefer, de découper l’échantillonpuis de fermer la géométrie pour ainsi former un contourd’échantillon légèrement boursoufflé.

La règle empirique consiste en un entrefer de 1 à 5 % pluslarge que la position de mesure utilisée comme position dedécoupe. Après avoir chargé l’échantillon, cette position estparamétrée soit manuellement soit automatiquement aucours d’un test de fonctionnement dans le logiciel HAAKERheoWin. Pour les échantillons sensibles, la vitesse de l’as-censeur doit être réduite pour minimiser les dommages sur lastructure de l’échantillon au cours de la fermeture de l’entrefer.

Fig. 7:Fig. 7:Fig. 7:Fig. 7:Fig. 7: plateau TMP de mesure inférieur avec un diamètre choisi pourcorrespondre à la géométrie supérieure.

Fig. 6: Fig. 6: Fig. 6: Fig. 6: Fig. 6: géométrie de plans parallèles dans la position de mesure sans etavec revêtement de l’échantillon. La position de découpe peut êtreparamétrée dans HAAKE RheoWin. La recommandation est de 1 à 5 %au-delà de la mesure d’entrefer choisie pour le test (dans l’exemple ci-dessus, 100 μm).

Lorsque la géométrie supérieure approche la position dedécoupe en utilisant la fonction d’élévateur de HAAKERheoWin, l’axe du rhéomètre est verrouillé pour éviter toutdommage sur la structure de l’échantillon dû à un tour acci-dentel de la géométrie de mesure. L’excès d’échantillon peutêtre retiré avec une spatule de laboratoire ou un outil dedécoupe spécial [3]. Le plateau inférieur visible sur la Fig. 7a été choisi pour correspondre au diamètre de la géométriesupérieure, ce qui rend plus facile la procédure de découpenécessaire.

Les outils sélectionnés pour la découpe doivent être constituésde matériaux non absorbants pour éviter que du solvant soitaspiré de l’échantillon. Tout type de papier simple ou d’outilen bois est donc exclu. L’outil doit avoir un bord droit pourformer une surface d’échantillon droite et propre.

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Pour en savoir plus, veuillez consulter thermofisherthermofisherthermofisherthermofisherthermofisher.com/rheometers.com/rheometers.com/rheometers.com/rheometers.com/rheometers

À des fins de recherche uniquement. Non destiné à une utilisation dans le cadre de procédures de diagnostic.À des fins de recherche uniquement. Non destiné à une utilisation dans le cadre de procédures de diagnostic.À des fins de recherche uniquement. Non destiné à une utilisation dans le cadre de procédures de diagnostic.À des fins de recherche uniquement. Non destiné à une utilisation dans le cadre de procédures de diagnostic.À des fins de recherche uniquement. Non destiné à une utilisation dans le cadre de procédures de diagnostic.© 2018 Thermo Fisher Scientific Inc. Tous droits réservés. Toutes les marques déposées sont la propriété deThermo Fisher Scientific et de ses filiales sauf mention contraire.V248 0318V248 0318V248 0318V248 0318V248 0318

RRRRRéééééfffffééééérencesrencesrencesrencesrences[1] Thermo Fisher Scientific Application note V285 “Preparing the Rheometer for Highest Sensivity Tests“ (Préparer le rhéomètre pour des tests de très haute sensibilité), Klaus Oldörp (in preparation)[2] Thermo Fisher Scientific Product information P029 “Overview parallel plates and cone & plate geometries“ (Aperçu des géométries de plans parallèles et cône-plan), Cornelia Küchenmeister-Lehrheuer, Jint Nijman and Fabian Meyer[3] Thermo Fisher Scientific Product information P003 “Trimming tool to remove overfilling in a plate/plate- and cone/plate-measuring geometry“ (Outils de découpage pour retirer l’excès d’échantillon dans une géométrie de mesure plan-plan et cône-plan), Küchenmeister-Lehrheuer and Klaus Oldörp[4] Thermo Fisher Scientific Application note V218 “Test liquids“ (Tests sur liquides), Klaus Oldörp[5] Thermo Fisher Scientific Application note V264 “Testing a Viscoelastic PDMS Standard in Oscillation“ (Tester un PDMS avec un niveau de viscoélasticité standard en oscillation), Klaus Oldörp

RRRRRééééésumsumsumsumsuméééééPour la détermination de données rhéologiques fiables,l’échantillon et le rhéomètre doivent être préparés et mani-pulés avec précaution. En plus de sélectionner la bonnegéométrie de mesure et de déterminer le point zéro correct,il existe des étapes qui ne sont pas directement liées aurhéomètre lui-même, mais qui sont cruciales pour la qualitédes données. La procédure sur la façon de préparerl’échantillon dans le rhéomètre et les précautions aveclesquelles l’échantillon est découpé par la suite sont aumoins aussi importantes.

Il convient d’accorder une attention particulière lorsquel’on utilise des petites géométries de mesure, des petitesmesures d’entrefer et des grandes viscosités, car dans cescas-là, les effets de bord ont une plus grande influencesur la qualité des données. Dans le cas de petites mesuresd’entrefer, un ajustement individuel de toutes les compo-santes impliquées peut améliorer la qualité des données.

Fig. 8Fig. 8Fig. 8Fig. 8Fig. 8: retrait de l’excès d’échantillon avec une spatule en positionde découpe ; 8b : retrait de l’excès d’échantillon du bord de lagéométrie supérieure.

Fig. 9:Fig. 9:Fig. 9:Fig. 9:Fig. 9: remplissage correct de l’entrefer après fermeture de la géométriede mesure.

a b

Un remplissage parfait est la base idéale pour générer debonnes données avec un test rhéologique. Des exemplesd’un tel test sont décrits en détail en [4] et [5] en utilisantles exemples d’un test d’huile pour bain d’étalonnage etd’un PDMS avec un niveau de viscoélasticité standard,respectivement.

Le respect des recommandations listées dans ce documentpeut contribuer largement à la précision et la reproductibi-lité des résultats rhéologiques. Particulièrement lorsque lesrésultats rhéologiques doivent être comparés avec lesrésultats issus d’autres services ou d’autres entreprises,leur précision est une nécessité absolue.

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NOTE D'APPLICATION

AuteurAuteurAuteurAuteurAuteurFabian MeyerThermo Fisher Scientific, Karlsruhe, Allemagne

Logiciel HAAKE RheoWin:caractéristicues pour le contrôle qualité etles mesures courantes

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IntroductionIntroductionIntroductionIntroductionIntroductionLa rhéologie est utilisée dans plus en plus d’industries pourle développement produit et le contrôle qualité. La tendanceest au développement de procédures opérationnelles nor-malisées comme cela est commun pour beaucoup d’autresméthodes analytiques. Les procédures de mesures norma-lisées sont nécessaires pour optimiser les propriétés d’unproduit et pour déterminer les éventuelles fluctuationsqualitatives d’un produit.

En déterminant les paramètres rhéologiques pertinents, lesrelations entre la structure, les spécificités du processuset les propriétés finales du produit peuvent être établies.Les normes de qualité peuvent être respectées et lesnouveaux produits peuvent être commercialisés plus rapi-dement. Cela s’applique à de nombreux domaines industrielstels que les plastiques et les adhésifs, les peintures et lesrevêtements, les produits d’hygiène personnelle et les déter-gents, les denrées alimentaires ou même les matériauxde construction.

Les mesures rhéologiques fournissent des informationsconcernant la stabilité de stockage, la transformabilité oules propriétés d’écoulement des formulations liquides ousemi-solides, qui sont essentielles pour le contrôle qualitéet le développement de futurs produits.

Cependant, du fait de la complexité croissante des maté-riaux et des exigences de performance élevées, il n’estpas toujours facile de développer la méthode de test opti-male pour une application spécifique. Dans ce contexte,un logiciel d’évaluation et de mesure adaptable peut fournirune aide utile à la fois aux débutants et aux experts dansle domaine de la rhéologie, afin d’établir et de mettre enœuvre des procédures adaptées. Le logiciel ThermoScientificTM HAAKETM RheoWinTM permet le contrôle desinstruments et l’évaluation des données pour tous lesrhéomètres Thermo ScientificTM HAAKETM et il est utilisépour paramétrer et exécuter les procédures de mesures,et générer des rapports et des évaluations de donnéessubséquentes automatiques.

L’article suivant est destiné à fournir un aperçu des possi-bilités offertes par le logiciel HAAKE RheoWin afin de vouspermettre de réaliser une caractérisation rhéologiqueexhaustive et significative du contrôle qualité.

Structure géStructure géStructure géStructure géStructure génnnnnéééééralralralralraleeeee du logicieldu logicieldu logicieldu logicieldu logiciel HAAKE RheoWin HAAKE RheoWin HAAKE RheoWin HAAKE RheoWin HAAKE RheoWinLe logiciel HAAKE RheoWin peut être utilisé en 12 languesdifférentes que vous pouvez choisir en appuyant simplementsur un bouton, et il est constitué de trois modules différents:

••••• Le Gestionnaire de tâches HAAKE RheoWin (JobManager)pour créer et exécuter des procédures de mesure etd’évaluation, également nommées Tâches. Le Gestion-

naire de tâches permet également de contrôler indivi- duellement toutes les fonctionnalités du rhéomètre in- dépendamment des processus d’évaluation et de mesure complets.••••• Le Gestionnaire de données HAAKE RheoWin

(DataManager) pour afficher et évaluer plus en détail lesdonnées mesurées. Il est possible de superposer et decomparer différents ensembles de données. La configu-

ration des graphiques et des tableaux peut être forma- tée et les données peuvent être transférées sous divers formats.••••• Le Gestionnaire des utilisateurs HAAKE RheoWin

(UserManager) pour créer des comptes utilisateurs dedifférents niveaux et attribuer des accès utilisateursindividuels et spécifiques.

De plus, les modules optionnels suivants du logiciel sontdisponibles pour des applications et des besoins spécifiques:

••••• Un outil CFR Part 11 pour répondre aux exigences de laréglementation 21 CFR Part 11 de la FDA (États-Unis)

••••• Des modules supplémentaires pour l’analyse des poly- mères: Time Temperature Superposition (TTS), générant

des spectres de relaxation et le calcul de la répartition dela masse moléculaire (MWD, molecular weight distribution)

••••• Un module logiciel pour la rhéologie interfaciale••••• Un module logiciel pour l’association avec un spectromètre IRTF

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Fig. 1: Fig. 1: Fig. 1: Fig. 1: Fig. 1: éléments graphiques pour créer des procédures de mesure etd’évaluation dans le Gestionnaire de tâches HAAKE RheoWin (JobManager).

Tous les éléments peuvent être sélectionnés rapidement etaisément via la méthode glisser-déposer. Toutes les mesureset les évaluations peuvent être effectuées complètementautomatisées en une simple séquence de tâches. Un modeopérationnel manuel peut être utilisé pour effectuer despré-tests rhéologiques ou pour le paramétrage de l’entreferet le contrôle de la température indépendamment duprocessus d’évaluation et de mesure.Le logiciel HAAKE RheoWin permet de tester plusieurséchantillons en simultané et une évaluation des données oude multiples mesures avec différents rhéomètres connectésau même PC. Les résultats de mesure peuvent être expor-tés et stockés sous différents formats (ASCII, MS-Excel ouPDF). La connexion au système de gestion de l’informationdu laboratoire est également possible.

Sélection des éléments d’évaluatio at de mesureSélection des éléments d’évaluatio at de mesureSélection des éléments d’évaluatio at de mesureSélection des éléments d’évaluatio at de mesureSélection des éléments d’évaluatio at de mesurepour la caractérisation rhéologique dans lepour la caractérisation rhéologique dans lepour la caractérisation rhéologique dans lepour la caractérisation rhéologique dans lepour la caractérisation rhéologique dans lecontrôle qualité et le développement produitcontrôle qualité et le développement produitcontrôle qualité et le développement produitcontrôle qualité et le développement produitcontrôle qualité et le développement produitLes propriétés importantes d’un produit pour les consom-mateurs et les fabricants sont par exemple la stabilité destockage, la viscosité, la contrainte d’écoulement, la thixo-tropie ou le phénomène de réticulation. La déterminationde ces paramètres rhéologiques permet d’améliorer laperformance du produit et de parvenir à une évaluationefficace et reproductible au cours du contrôle qualité.

Comment un produit réagit-il à la déformation ou à lacontrainte ? Dans quelle mesure des additifs différents, telsque des enduits ou des pigments, affectent-ils les propriétésd’un matériau ? Quel agent thixotropique, et en quellequantité, faut-il ajouter à un produit afin de maintenir debonnes propriétés d’écoulement ou d’éviter les effets derelâchement ? Dans quelle mesure la contrainte d’écou-lement doit-elle être ajustée afin d’assurer la durée deconservation et la transportabilité d’un produit ? À quelle

Courbe de référence avec tolérance de déviationCourbe de référence avec tolérance de déviationCourbe de référence avec tolérance de déviationCourbe de référence avec tolérance de déviationCourbe de référence avec tolérance de déviationEn utilisant la courbe de référence, de nouveaux résultatsde mesure peuvent être comparés avec des données demesure antérieures (Fig. 3). Une courbe de référence peutêtre soit un fichier de données fixe, soit des donnéessélectionnées individuellement par l’opérateur pour chaquemesure.La tolérance selon laquelle les valeurs mesurées peuventdévier de la courbe de référence peut être précisée soit enpourcentages soit en valeurs absolues. De plus, la tolérancede déviation peut être paramétrée soit linéairement soitsur une échelle logarithmique.

Interpolation avec tolérance de déviationInterpolation avec tolérance de déviationInterpolation avec tolérance de déviationInterpolation avec tolérance de déviationInterpolation avec tolérance de déviationL’interpolation est le calcul d’un point de données entre deuxvaleurs mesurées. Une interpolation peut être effectuéeautomatiquement après une mesure (Fig. 4). Différentesméthodes sont disponibles pour cela. Pour les valeursinterpolées, une tolérance de déviation peut être définiedans le logiciel HAAKE RheoWin. Les valeurs interpoléesdoivent être comprises dans la tolérance de déviation afinque l’échantillon puisse réussir l’évaluation de qualité.

vitesse une micro structure doit-elle se reconstituer aprèsqu’un matériau a été exposé à un cisaillement important ?

Ce ne sont que quelques-unes des nombreuses questionsque les fabricants de produits doivent se poser des milliersde fois. Le logiciel HAAKE RheoWin propose des processusd’évaluation avec la possibilité de définir des critères decontrôle qualité pour de nombreuses méthodes de testnormalisées (Fig. 2).La section suivante présente une sélection d’options offertespar le logiciel HAAKE RheoWin pour réaliser des procéduresde tests de contrôle qualité. Les éléments d’évaluationet de mesure prédéfinis doivent simplement être adaptésaux produits concernés et les critères de qualité corres-pondants doivent être définis en conséquence.

Pour créer des tâches avec le Gestionnaire de tâchesHAAKE RheoWin (JobManager), on utilise des élémentsgraphiques prédéfinis (Fig. 1). Ces éléments couvrenttous les aspects d’une procédure opérationnellenormalisée complète, incluant:

••••• Pré et post-paramétrages d’instruments expérimentaux••••• Paramétrage expérimental••••• Évaluation des données••••• Traitement et exportation des données••••• Création de rapports

Fig. Fig. Fig. Fig. Fig. 22222: : : : : définition d’un critère de contrôle qualité dans un processusde mesure et d’évaluation.

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Ajustement des courbesAjustement des courbesAjustement des courbesAjustement des courbesAjustement des courbesLe logiciel HAKKE RheoWin permet d’effectuer des ajus-tements de courbes avec des modèles rhéologiques etmathématiques différents (Fig. 5). Les courbes ajustéespeuvent être extrapolées au-delà de la plage des donnéesmesurées. Après l’ajustement d’une courbe, tous les para-mètres calculés sont reportés et stockés avec les donnéesmesurées.

Fig. 3: Fig. 3: Fig. 3: Fig. 3: Fig. 3: courbe de référence avec tolérance de déviation.

Fig. 4: Fig. 4: Fig. 4: Fig. 4: Fig. 4: interpolation d’une valeur de viscosité à une vitesse de cisaillement définie.

DDDDDééééétermination termination termination termination termination d’une plage viscoélastiqued’une plage viscoélastiqued’une plage viscoélastiqued’une plage viscoélastiqued’une plage viscoélastiquelinéaire (i.e. limite du domaine de linéaire (i.e. limite du domaine de linéaire (i.e. limite du domaine de linéaire (i.e. limite du domaine de linéaire (i.e. limite du domaine de linlinlinlinlinéarité)éarité)éarité)éarité)éarité)Dans la plage viscoélastique linéaire, les paramètres rhéo-logiques sont indépendants de la déformation ou de lacontrainte appliquée. La plage viscoélastique linéaire d’unéchantillon peut être déterminée en effectuant un balayagede l’amplitude des oscillations à une fréquence constante.

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Fig. 5: Fig. 5: Fig. 5: Fig. 5: Fig. 5: ajustement d’une courbe de données de viscosité selon le modèle Carreau-Yasuda.

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Fig. Fig. Fig. Fig. Fig. 66666: : : : : détermination automatique de la plage viscoélastique linéaire à partir des données de balayage de l’amplitude des oscillations.

Le logiciel HAAKE RheoWin permet la détermination auto-matique de la plage viscoélastique linéaire à partir desdonnées de balayage de l’amplitude des oscillations (Fig. 6).La fin de la plage viscoélastique linéaire est atteinte à desvaleurs de déformation ou de contrainte, lorsque les para-mètres rhéologiques commencent à modifier leur compor-tement constant.Le paramètre à utiliser pour l’évaluation (G’, G’’ Iη*I, δ outan δ) peut être sélectionné par l’opérateur. La plage visco-élastique linéaire peut être déterminée soit par la valeur

de déformation soit par la valeur de contrainte. Le logicielHAAKE RheoWin permet également la détermination dela plage viscoélastique linéaire en fonction de la procédurenormalisée DIN 51810-2.

Surface au-dessous d’une courbe de mesureSurface au-dessous d’une courbe de mesureSurface au-dessous d’une courbe de mesureSurface au-dessous d’une courbe de mesureSurface au-dessous d’une courbe de mesureLa surface au-dessous d’une courbe de mesure ou d’unesection sélectionnée d’une courbe peut être calculée parle logiciel HAAKE RheoWin (Fig. 7). Les tolérances supérieu-res et inférieures de déviation peuvent être définies commeun critère de contrôle qualité.

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TTTTTest de cycle d’hstérest de cycle d’hstérest de cycle d’hstérest de cycle d’hstérest de cycle d’hstérésis thixotrésis thixotrésis thixotrésis thixotrésis thixotropiqueopiqueopiqueopiqueopiqueLa thixotropie fait référence à la vitesse de cisaillement etau temps de cisaillement en fonction de la diminution dela viscosité des fluides structurés. Dans un test de cycled’hystérésis thixotropique, un échantillon est exposé à unevitesse de cisaillement en rampe croissante suivie par unevitesse de cisaillement en rampe décroissante. La viscositéapparente et la contrainte de cisaillement sont enregistrées

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Fig. Fig. Fig. Fig. Fig. 77777: : : : : calcul de la surface sous une courbe de viscosité.

Fig. 8: Fig. 8: Fig. 8: Fig. 8: Fig. 8: détermination de la surface d’hystérésis pour des données de contrainte de cisaillement à partir d’un test de cycle d’hystérésis thixotropique.

en fonction de la vitesse de cisaillement. La surface d’hys-térésis qui se forme entre la courbe haute et la courbebasse est une mesure pour le degré de thixotropie del’échantillon. Lorsque l’on réalise un test de cycle d’hys-térésis thixotropique, le logiciel HAAKE RheoWin peut déter-miner automatiquement la surface d’hystérésis pour lesdonnées de viscosité et de contrainte de cisaillement (Fig. 8).Des critères de contrôle qualité avec tolérance de déviationpeuvent être définis.

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Contrainte d’écoulementContrainte d’écoulementContrainte d’écoulementContrainte d’écoulementContrainte d’écoulementLa contrainte d’écoulement d’un échantillon peut être déter-minée en réalisant une expérience en rampe de la contraintede cisaillement dans laquelle la déformation est enregistréeen fonction de l’augmentation de la contrainte sur unedouble échelle logarithmique. À des vitesses de cisaillementinférieures à la contrainte d’écoulement, la déformationaugmentera de manière linéaire (pente constante avec unedouble échelle logarithmique) avec une augmentation de lacontrainte de cisaillement. Lorsque la contrainte de cisaille-ment s’approche de la contrainte d’écoulement, la penteaugmente et l’échantillon commence à s’écouler. L’élémentd’évaluation de la contrainte d’écoulement dans le logicielHAAKE RheoWin détermine la contrainte d’écoulement aumoyen de deux tangentes qui sont appliquées à la courbede mesure. L’intersection de ces tangentes est interprétée

Fig. 9: Fig. 9: Fig. 9: Fig. 9: Fig. 9: détermination automatique de la contrainte d’écoulement à partir des données de la rampe de contrainte de cisaillement avec laméthode d’intersection des tangentes.

Fig. Fig. Fig. Fig. Fig. 1010101010: : : : : détermination de la valeur la plus élevée pour la contrainte de cisaillement avec l’élément d’évaluation de l’interprétation d’une courbe.

comme la contrainte d’écoulement de l’échantillon (Fig. 9).Des critères de contrôle qualité avec tolérance de déviationpeuvent être définis.

Interprétation des courbeInterprétation des courbeInterprétation des courbeInterprétation des courbeInterprétation des courbeDeux éléments différents pour l’interprétation des courbessont disponibles dans le logiciel HAAKE RheoWin. Avecl’élément d’interprétation de courbes classique, les valeursminimales, maximales, les plus basses, les plus élevées etmoyennes d’une courbe de mesure peuvent être déter-minées (Fig. 10). Avec l’élément d’interprétation de courbesavancé, il est possible de calculer les pentes relatives etabsolues, le pourcentage de valeurs de référence, de mêmeque les intersections des tangentes appliquées aux donnéesmesurées (Fig. 11). Des critères de contrôle qualité peuventêtre définis pour ces deux éléments d’interprétation descourbes.

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Fig. Fig. Fig. Fig. Fig. 1111111111: : : : : évaluation avancée d’une courbe avec des données G’ et G’’ issues d’une expérience de séchage.

Fig. Fig. Fig. Fig. Fig. 1212121212: : : : : détermination du croisement des données G’ et G“ dans un test de balayage de fréquence.

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CroisementCroisementCroisementCroisementCroisementL’élément d’évaluation du croisement détermine le pointd’intersection des courbes du module de stockage (oumodule élastique) G’ et du module de perte G“ à partird’une mesure de cisaillement oscillatoire. Cela inclut desexpériences de balayage d’amplitude, de fréquence, detemps et de température (Fig. 12). Des critères de contrôlequalité avec tolérance de déviation peuvent être définis.

Rétablissement structurelRétablissement structurelRétablissement structurelRétablissement structurelRétablissement structurelL’élément de rétablissement structurel fournit des informationssur la vitesse à laquelle la structure d’un échantillon se rétablitaprès qu’il a été exposé à une vitesse de cisaillement éle-vée, et la manière dont il le fait. Un test de rétablissement

structurel consiste en trois étapes. Lors de l’étape initiale,la viscosité ou la viscosité complexe d’un matériau avecune structure intacte est mesurée comme référence. Ladeuxième étape est une période de vitesse de cisaillementélevée pour décomposer la micro structure de l’échantillon.Au cours de la troisième étape, le signal de contrainte oude déformation appliqué est de nouveau réduit à la valeurinitiale et le rétablissement de l’échantillon est contrôléaprès un impact de cisaillement important. L’élément d’éva-luation du rétablissement structurel du logiciel HAAKERheoWin compare les données du premier et du troisièmeélément pour évaluer le rétablissement (Fig. 13). Les optionsd’évaluation incluent le changement absolu entre la premièreétape et la fin de la troisième étape, le rétablissement relatif

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Fig. Fig. Fig. Fig. Fig. 1313131313: : : : : évaluation du rétablissement structurel après qu’un échantillon a été exposé à un cisaillement important.

Fig. 14: Fig. 14: Fig. 14: Fig. 14: Fig. 14: analyse d’un test de fluage et de rétablissement.

après une période de temps définie et le rétablissementrelatif lorsque l’on atteint de nouveau un certain pourcentage.De plus, le moment auquel le croisement des données G’et G“ survient (l’échantillon redevient principalement élas-tique) dans l’étape de rétablissement peut être détectéautomatiquement.

Fluage et recouvranceFluage et recouvranceFluage et recouvranceFluage et recouvranceFluage et recouvranceLes tests de fluage et de recouvrance sont la façon la plusdirecte de qualifier et quantifier l’élasticité d’un matériau.L’expérience est divisée en deux segments. Au cours de lapremière partie, le fluage, un signal de contrainte instantanéest appliqué à l’échantillon pendant une période de tempsdéfinie. Dans la seconde partie, la contrainte est à nouveau

supprimée et la recouvrance de l’échantillon est contrôlé.La réponse de l’échantillon est une courbe de déformationavec une forme qui dépend des deux, le niveau de contrain-te appliqué par le rhéomètre et la micro structure del’échantillon.L’élément d’évaluation du fluage et de recouvrance permetune analyse du fluage exhaustive et automatique (voir Fig. 14).Des paramètres comme la viscosité de cisaillement zéro,la déformation recouvrable ou l’état d’équilibre peuvent êtreextraits du fluage et des courbes de rétablissement. Descritères de contrôle qualité avec tolérance de déviationpeuvent être définis pour les différents paramètresd’évaluation.

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RésuméRésuméRésuméRésuméRésuméLe logiciel HAAKE RheoWin permet une caractérisationrhéologique exhaustive des matériaux liquides, semi-solides et solides. Les utilisateurs peuvent rapidement etfacilement créer des procédures de mesure appropriéespour des applications et des produits variés. Une largegamme de procédures d’évaluation des données permetl’analyse automatique des données et l’intégration decritères de contrôle qualité pour des opérations decontrôle qualité simplifiées.

Pour en savoir plus, veuillez consulter thermofisherthermofisherthermofisherthermofisherthermofisher.com/rheometers.com/rheometers.com/rheometers.com/rheometers.com/rheometers

À des fins de recherche uniquement. Non destiné à une utilisation dans le cadre de procédures de diagnostic.À des fins de recherche uniquement. Non destiné à une utilisation dans le cadre de procédures de diagnostic.À des fins de recherche uniquement. Non destiné à une utilisation dans le cadre de procédures de diagnostic.À des fins de recherche uniquement. Non destiné à une utilisation dans le cadre de procédures de diagnostic.À des fins de recherche uniquement. Non destiné à une utilisation dans le cadre de procédures de diagnostic.© 2018 Thermo Fisher Scientific Inc. Tous droits réservés. Toutes les marques déposées sont la propriété deThermo Fisher Scientific et de ses filiales sauf mention contraire.V223 0318V223 0318V223 0318V223 0318V223 0318

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