La rhéologie a des applications dans la science des matériaux, l’ingénierie, la géophysique, la physiologie, la biologie humaine et la pharmacie. La science des matériaux est utilisée dans la production de nombreuses substances importantes sur le plan industriel, comme le ciment, la peinture et le chocolat, qui ont des caractéristiques d’écoulement complexes. En outre, la théorie de la plasticité a été tout aussi importante pour la conception des processus de formage des métaux. La science de la rhéologie et la caractérisation des propriétés viscoélastiques dans la production et l’utilisation des matériaux polymères ont été essentielles pour la production de nombreux produits utilisés dans les secteurs industriel et militaire. L’étude des propriétés d’écoulement des liquides est importante pour les pharmaciens qui travaillent à la fabrication de plusieurs formes de dosage, telles que les liquides simples, les pommades, les crèmes, les pâtes, etc. Le comportement d’écoulement des liquides sous contrainte est d’une grande importance dans le domaine de la pharmacie. Les propriétés d’écoulement sont utilisées comme d’importants outils de contrôle de la qualité pour maintenir la supériorité du produit et réduire les variations d’un lot à l’autre.
Science des matériauxEdit
PolymèresEdit
Des exemples peuvent être donnés pour illustrer les applications potentielles de ces principes à des problèmes pratiques dans le traitement et l’utilisation des caoutchoucs, des plastiques et des fibres. Les polymères constituent les matériaux de base des industries du caoutchouc et du plastique et sont d’une importance vitale pour les industries du textile, du pétrole, de l’automobile, du papier et de la pharmacie. Leurs propriétés viscoélastiques déterminent les performances mécaniques des produits finaux de ces industries, ainsi que le succès des méthodes de traitement aux étapes intermédiaires de la production.
Dans les matériaux viscoélastiques, tels que la plupart des polymères et des plastiques, la présence d’un comportement de type liquide dépend des propriétés de et varie donc avec le taux de charge appliquée, c’est-à-dire la vitesse à laquelle une force est appliquée. Le jouet en silicone « Silly Putty » se comporte très différemment selon la vitesse d’application d’une force. Si l’on tire lentement dessus, il présente un écoulement continu, semblable à celui d’un liquide très visqueux. En revanche, lorsqu’il est frappé durement et directement, il se brise comme un verre silicaté.
En outre, le caoutchouc conventionnel subit une transition vitreuse (souvent appelée transition caoutchouc-verre). Par exemple, la catastrophe de la navette spatiale Challenger a été causée par des joints toriques en caoutchouc qui étaient utilisés bien en dessous de leur température de transition vitreuse lors d’une matinée exceptionnellement froide en Floride, et qui ne pouvaient donc pas fléchir adéquatement pour former des joints appropriés entre les sections des deux boosters de fusée à combustible solide.
BiopolymèresEdit
Sol-gelEdit
Avec la viscosité d’un sol ajustée dans une gamme appropriée, on peut étirer à la fois une fibre de verre de qualité optique et une fibre céramique réfractaire qui sont utilisées pour les capteurs à fibre optique et l’isolation thermique, respectivement. Les mécanismes d’hydrolyse et de condensation, et les facteurs rhéologiques qui biaisent la structure vers des structures linéaires ou ramifiées sont les questions les plus critiques de la science et de la technologie sol-gel.
GéophysiqueEdit
La discipline scientifique de la géophysique comprend l’étude de l’écoulement de la lave en fusion et l’étude des coulées de débris (coulées de boue fluides). Cette branche disciplinaire traite également des matériaux solides de la Terre qui ne présentent un écoulement que sur des échelles de temps étendues. Ceux qui présentent un comportement visqueux sont appelés rhéides. Par exemple, le granit peut s’écouler plastiquement avec une limite d’élasticité négligeable à température ambiante (c’est-à-dire un écoulement visqueux). Des expériences de fluage à long terme (~10 ans) indiquent que la viscosité du granit et du verre dans des conditions ambiantes sont de l’ordre de 1020 poises.
PhysiologieEdit
La physiologie comprend l’étude de nombreux fluides corporels qui ont une structure et une composition complexes, et présentent donc une large gamme de caractéristiques d’écoulement viscoélastique. Il existe en particulier une étude spécialisée de l’écoulement du sang appelée hémorhéologie. Il s’agit de l’étude des propriétés d’écoulement du sang et de ses éléments (plasma et éléments formés, notamment les globules rouges, les globules blancs et les plaquettes). La viscosité du sang est déterminée par la viscosité du plasma, l’hématocrite (fraction volumique des globules rouges, qui constituent 99,9% des éléments cellulaires) et le comportement mécanique des globules rouges. Par conséquent, la mécanique des globules rouges est le principal déterminant des propriétés d’écoulement du sang.
Rhéologie alimentaireEdit
La rhéologie alimentaire est importante dans la fabrication et le traitement des produits alimentaires, tels que le fromage et la gelato.
Les agents épaississants, ou épaississants, sont des substances qui, ajoutées à un mélange aqueux, augmentent sa viscosité sans modifier sensiblement ses autres propriétés, telles que le goût. Ils donnent du corps, augmentent la stabilité et améliorent la suspension des ingrédients ajoutés. Les agents épaississants sont souvent utilisés comme additifs alimentaires et dans les cosmétiques et les produits d’hygiène personnelle. Certains agents épaississants sont des agents gélifiants, formant un gel. Les agents sont des matériaux utilisés pour épaissir et stabiliser les solutions liquides, les émulsions et les suspensions. Ils se dissolvent dans la phase liquide sous forme d’un mélange colloïdal qui forme une structure interne faiblement cohésive. Les épaississants alimentaires sont fréquemment basés soit sur des polysaccharides (amidons, gommes végétales et pectine), soit sur des protéines.
Rhéologie du bétonEdit
L’ouvrabilité du béton et du mortier est liée aux propriétés rhéologiques de la pâte de ciment fraîche. Les propriétés mécaniques du béton durci augmentent si l’on utilise moins d’eau dans la conception du mélange de béton, cependant la réduction du rapport eau/ciment peut diminuer la facilité de mélange et d’application. Pour éviter ces effets indésirables, des superplastifiants sont généralement ajoutés pour diminuer la limite d’élasticité apparente et la viscosité de la pâte fraîche. Leur ajout améliore fortement les propriétés du béton et du mortier.
Rhéologie des polymères chargésEdit
L’incorporation de divers types de charges dans les polymères est un moyen courant de réduire le coût et de conférer certaines propriétés mécaniques, thermiques, électriques et magnétiques souhaitables au matériau résultant. Les avantages que les systèmes de polymères chargés ont à offrir s’accompagnent d’une complexité accrue du comportement rhéologique.
En général, lorsque l’utilisation de charges est envisagée, un compromis doit être fait entre les propriétés mécaniques améliorées à l’état solide d’une part et la difficulté accrue de la transformation à l’état fondu, le problème de l’obtention d’une dispersion uniforme de la charge dans la matrice polymère et l’économie du processus en raison de l’étape supplémentaire du compoundage d’autre part. Les propriétés rhéologiques des polymères chargés sont déterminées non seulement par le type et la quantité de charge, mais aussi par la forme, la taille et la distribution de taille de ses particules. La viscosité des systèmes chargés augmente généralement avec l’augmentation de la fraction de charge. Ce phénomène peut être partiellement amélioré par une large distribution de la taille des particules grâce à l’effet Farris. Un autre facteur est le transfert de contraintes à l’interface charge-polymère. L’adhésion interfaciale peut être considérablement améliorée grâce à un agent de couplage qui adhère bien à la fois au polymère et aux particules de charge. Le type et la quantité de traitement de surface sur la charge sont donc des paramètres supplémentaires qui affectent les propriétés rhéologiques et matérielles des systèmes polymères chargés.
Il est important de prendre en compte le glissement de paroi lors de la caractérisation rhéologique des matériaux hautement chargés, car il peut y avoir une grande différence entre la déformation réelle et la déformation mesurée.