METHODE DE MESURE DE RHEOLOGIE CAPILLAIRE PAR RAMPE DE VITESSE [001] L'invention concerne le domaine de la mesure du comportement rhéologique en cisaillement des matériaux, et en particulier des élastomères. Ces mesures permettent d'évaluer par exemple la viscosité du matériau à des taux de cisaillement ou à des températures différentes. 10 [002] Une méthode couramment utilisée par l'homme de l'art consiste à mesurer, à l'aide d'un rhéomètre capillaire, la perte de charge induite par l'écoulement du matériau dans une filière en fonction de la vitesse d'écoulement du matériau dans cette filière. Ces mesures se font en imposant un débit de sortie et en mesurant la pression en entrée de la filière. [3] Pour s'affranchir du caractère fortement non linéaire des propriétés des matériaux 15 viscoélastiques et en particulier de leurs propriétés thixotropiques, on fait varier le débit d'écoulement par paliers successifs. A chaque palier, il est nécessaire d'attendre que la pression, après avoir franchi un maximum, se stabilise pour effectuer la mesure de pression correspondante à la vitesse d'écoulement dans le capillaire. [4] Cette procédure de mesure présente toutefois l'inconvénient d'être relativement 20 consommatrice en temps machine et en temps opérateur, en raison des temps de stabilisation à respecter à chaque changement de pallier. [5] L'invention a pour objet de proposer un processus de mesure de la perte de charge aussi précis que celui décrit ci-dessus, et permettant de réduire le temps total de la mesure de plus des deux tiers. 25 [006] Le procédé de mesure des propriétés rhéologique d'un élastomère selon l'invention est mis en oeuvre au moyen d'un rhéomètre capillaire comprenant une cuve de rayon intérieur R dans laquelle circule un piston apte à propulser ledit élastomère au travers d'une filière de sortie. On évalue la perte de charge induite par l'écoulement du matériau dans ladite filière en fonction de la vitesse d'écoulement du matériau dans cette filière. 30 [007] Ce procédé se caractérise en ce qu'on fait varier la vitesse du piston de manière continûment croissante en fonction du temps (t), exprimé en secondes, avec une accélération y(t), exprimée en mm.s-2, supérieure ou égale à zéro et inférieure ou égale à5 une fonction y(t) = A.B.eAt dans laquelle A est compris entre 0,005 et 0,07, de sorte que la vitesse du piston est inférieure ou égale à V(t) = B.eAt [8] En contrôlant de la sorte l'accélération du piston, on ne subit pas les effets observés à chaque changement rapide de seuil sur le comportement de l'élastomère et susceptibles de provoquer une surpression temporaire. Cette lente accélération du piston, pour les matériaux élastomères, et dans les diamètres de cuve couramment utilisés pour la mesure des grandeurs rhéologiques de ces matériaux, est sensiblement indépendante du diamètre et de la longueur du capillaire. [9] Il en résulte que la mesure de la perte de charge en continu à l'aide d'un procédé selon l'invention s'avère bien plus rapide à réaliser que s'il avait fallut procéder à des variations de vitesse par paliers successifs en raison de la suppression des temps d'attente à chaque palier de vitesse. De surcroît, ce processus de mesure se révèle être plus précis que le procédé traditionnel en ce que la courbe d'écoulement est continue. [10] De préférence, lorsque le temps est exprimé en secondes, la vitesse V(t) en mm.s_, et l'accélération y(t) en mm.s-', on choisira une valeur de A comprise entre 0,01 et 0,04. Cette plage de valeur semble en effet convenir à la plupart des matériaux élastomères couramment utilisés dans l'industrie du caoutchouc. [11] La valeur du coefficient B peut utilement être comprise entre 0,001 et 0,1, et de préférence entre 0,002 et 0,02. [012] Il est possible de réduire encore le temps de mesure en choisissant une vitesse de départ du procédé de mesure qui soit constante et non nulle entre le temps t=0 et le temps t=t, de sorte que la vitesse de déplacement du piston est égale à une vitesse constante Vo, At1 telle que Vo = B.e . Pour un temps t supérieur à l'accélération du piston est alors supérieure ou égale à zéro et inférieure ou égale à la fonction y(t) = A.B.eA(t-t1) , de sorte A(t-t1) que la vitesse du piston est inférieure ou égale à V(t) =Vo + B.e [13] Pour les matériaux élastomères, le rayon intérieur R de la cuve est couramment compris, entre 10mm et 40mm et de préférence entre 10mm et 20mm. [14] La description qui suit s'appuie sur les figures 1 à 4 dans lesquelles : - la figure 1 représente une vue schématique d'un rhéomètre capillaire couramment utilisé dans l'industrie du caoutchouc, - la figure 2 représente le graphique d'évolution de la pression à chaque évolution du palier de vitesse d'écoulement du piston, - la figure 3 représente l'évolution de la pression en fonction de la vitesse d'écoulement selon un premier mode de mise en oeuvre de l'invention, - la figure 4 représente l'évolution de la pression en fonction de la vitesse d'écoulement selon un second mode de mise en oeuvre de l'invention. [15] Le rhéomètre capillaire illustré à la figure 1 comprend une cuve cylindrique 1, de rayon intérieur R, débouchant dans sa partie inférieure sur un capillaire 3 de rayon r. Un piston 4 se déplace à l'intérieur de la cuve de manière à pousser l'élastomère compris dans le volume 2 de la cuve dans le capillaire 3. Des moyens de mesure de la pression 5 sont disposés en entrée, ou dans le conduit, du capillaire 3. Des moyens motorisés (non représentés) permettent de mouvoir le piston 4 selon une vitesse V(t) et une accélération y(t) contrôlées. [16] La cuve est en règle générale confinée dans une enceinte thermo régulée de manière à permettre des mesures à des températures différentes et contrôlées précisément. De manière usuelle, lorsque le matériau à étalonner est un élastomère, les températures de mesure sont comprises entre 80°C et 120°C. [17] Il est connu de l'homme de l'art que l'écoulement du matériau depuis la cuve dans le conduit du capillaire, dont le diamètre est très inférieur à celui de la cuve, sollicite fortement le matériau et engendre des instabilités, liées au caractère visqueux et élastique du matériau. Ces instabilités varient également en fonction du profil du fond de la cuve, du rapport des diamètres R/r de la cuve et du capillaire, des effets de parois, ou encore de la longueur du capillaire. Ces instabilités peuvent faire l'objet de corrections des valeurs de pression mesurées telles que, à titre d'exemple, la correction dite de Bagley. [018] Pour atténuer les effets de ces instabilités la méthode de mesure traditionnelle prévoit de faire varier la vitesse de déplacement du piston par paliers successifs et de mesurer la pression après un temps de stabilisation, de manière à ne pas prendre en compte la surpression observée juste après le changement de palier, comme cela est illustré à la figure 2 dans laquelle la courbe en pointillé représente l'évolution des vitesses en fonction du temps, et la courbe continue représente l'évolution de la pression mesurée par le capteur de pression 5. [019] Ainsi, pour des vitesses de déplacement du piston de 0,1 mms-1, 0,2 mms-1, 0,5 mms_, et 0,9 mms-', on mesure respectivement des pressions stabilisées de 130 bars, 142 bars, 165 bars et 182 bars. [20] Comme il a été dit ci-dessus, l'objet de l'invention consiste à effectuer la mesure de pression tout en réalisant une augmentation continue de la vitesse de manière à s'affranchir des temps d'attente nécessaires à la stabilisation de la pression à chaque changement de palier de vitesse. On constate en effet que, plus l'augmentation de vitesse du piston est faible, moins grands seront les effets des propriétés viscoélastiques du matériau. [21] La loi proposée concerne donc l'accélération du piston qui prévoit que cette accélération, toujours positive, soit comprise entre une valeur nulle et y(t) = A.B.eAt , avec les coefficients A et B proposés, au lieu de varier entre une valeur nulle et une valeur très importante au moment du changement de palier, comme cela est pratiqué couramment. [22] La détermination des valeurs des coefficients A et B résulte des observations expérimentales réalisées sur des élastomères couramment utilisés dans l'industrie du pneumatique. [23] Ces essais mettent en évidence qu'une valeur de A supérieure à 0,005 et inférieure à 0,07 semble convenir dans la grande majorité des cas intéressant les mesures par rhéométrie capillaire des élastomères à l'aide des rhéomètres les plus courants. Ces rhéomètres ont en règle générale un diamètre de cuve compris entre 10mm et 40mm. [24] Préférentiellement, une valeur de A comprise entre 0,01 et 0,04 donne de bons résultats pour la plupart des types de rhéomètres utilisés dans l'industrie du pneumatique et dont le diamètre de cuve est compris entre 10mm et 20mm. La valeur du rayon r du capillaire est usuellement comprise entre 1 et 4mm. [25] Le choix de la valeur du coefficient B est déterminée en fonction de la plage de vitesse que l'on souhaite balayer. [26] On observera ici que le choix des paramètres A et B est effectué une fois pour toute pour l'ensemble des matériaux couramment testés, même si des accélérations plus importantes pourraient être envisagées, avec des paramètres A et B plus adaptés au matériau à étalonner, dés lors qu'une amélioration substantielle du temps global de mesure est obtenue. [27] La figure 3 permet d'illustrer une mesure des valeurs rhéométriques, selon une première méthode conforme aux principes exposés ci-dessus. L'élastomère choisi est identique à celui ayant servi pour illustrer les valeurs de la figure 2. On observe que, pour 4 les valeurs de vitesse de déplacement du piston de 0,1 mms-1, 0,2 mms-1, 0,5 mms_, et 0,9 mms-1, les valeurs de la pression mesurée dans le capillaire sont respectivement de 130 bars, 142 bars, 165 bars et 182 bars, et sont identiques aux valeurs mesurées avec la méthode traditionnelle illustrée à la figure 2. [028] Pour diminuer encore le temps de cycle de mesure, il est également possible de tirer partie du comportement des élastomères aux faibles vitesses de déplacement du piston dans la cuve. [29] En effet, à ces faibles vitesses, le passage de la cuve dans le capillaire ne perturbe pas de manière sensible les propriétés rhéologiques des élastomères. On peut donc prévoir de conserver une vitesse de déplacement du piston constante Vo pendant un temps donné At1 t, de sorte que Vo = B.e . De cette manière, il n'est pas nécessaire d'attendre le temps t, pour atteindre la vitesse Vo, ce qui représente un gain de temps supplémentaire dans la réalisation de la mesure. De plus, on s'affranchit des vitesses d'écoulement trop lentes et peu significatives d'un point de vue rhéologique. On veillera toutefois à passer de la position d'arrêt du piston à la vitesse Vo sans à coup majeur, de manière à limiter les effets thixotropiques évoqués ci-dessus. La mesure de la perte de charge devra donc s'effectuer
le plus prés possible du temps de manière à stabiliser la mesure comme cela est pratiqué dans la méthode dite traditionnelle. [30] Au-delà du temps on accélère le piston avec la même limite que celle qui est A(t-t1) proposée dans le cadre de la présente invention, de sorte que y(t) = A.B.e . La A(t-tl ) vitesse du piston est alors inférieure ou égale à V(t) =Vo + B.e [31] On comprendra aisément que les plages de valeur pour les coefficients A et B sont issues de données expérimentales plus particulièrement adaptées à la mesure des valeurs rhéométriques des élastomères les plus couramment utilisées dans la fabrication des pneumatiques. Il va de soi que les principes de l'invention peuvent également s'appliquer, moyennant la mise en oeuvre d'un plan d'expérience adapté, pour tout autre type de matériau ayant des propriétés viscoélastiques différentes de celles des élastomères.