Étude rhéologique des peintures et revêtements

Les peintures et les revêtements sont utilisés pour plusieurs travaux. Outre la protection des surfaces contre plusieurs influences environnementales (par exemple la radiation UV, l'humidité de l'air, les substances chimiques, etc.), ils sont utilisés pour décorer les intérieurs comme les extérieurs ou pour renforcer certaines fonctions. De la fabrication à l'application finale, les substances brutes comme les liants (résines), les solvants, les pigments, les substances de remplissage et les additifs devraient rester uniformément mélangés. Il faut en outre qu'ils restent stables pendant les procédés de pompage et de stockage tout comme après l'application avec les pinceaux, rouleaux, pistolets aérosols, etc. Les mesures rhéologiques des peintures et revêtements sont donc cruciales pour évaluer leur qualité.

Les stylos-bille sont les stylos les plus utilisés dans le monde : chaque jour, il s’en fabrique et s’en vend des millions. Ce sont des instruments remarquablement simples qui fonctionnent en distribuant de l’encre sur une bille métallique, d'où le nom de stylo-bille. Ceci étant dit, les stylos-bille ne fonctionnent pas toujours aussi bien qu’ils devraient. Parfois, l’encre ne veut plus sortir, d'autres fois l'encre s’accumule sur la bille métallique, causant des bavures sur la page et tachant nos doigts.

Ces phénomènes sont influencés par au moins plusieurs facteurs. Ces derniers comprennent la précision de l’ensemble bille-logement ainsi que ses propriétés tribologiques et également le comportement rhéologique et tribologique de l’encre. Par exemple, si la viscosité de l’encre diminue, que ce soit sous l’effet du cisaillement ou de la température, la quantité d’encre traversant le logement et la pointe de la bille sera plus importante. Une fatigue du mécanisme bille-logement peut aussi provoquer une augmentation ou une diminution du débit d’encre.

Mesurer la rhéologie d’encres de stylo-bille peut fournir des renseignements sur le comportement d'écoulement en conditions d’usage normales. En outre, le comportement de friction et d’usure du système bille-logement peut être étudié en réalisant des mesures de tribologie. Le graphique ci-dessous montre comment deux échantillons d’encre présentant différentes viscosités se comportent dans un système métal/encre/papier en simulant le comportement de l’encre passant du stylo-bille au papier.

Pour un système métal/encre/papier, le coefficient de friction est mesuré comme fonction de la vitesse de glissement du métal contre le papier. Le coefficient de friction atteint son minimum lorsqu’un film de fluide se forme entre les surfaces. Dans l’idéal, cela doit se produire à la vitesse d’écriture et le film doit être suffisamment mince pour transporter la quantité d’encre juste suffisante pour que la typographie reste propre, mais suffisamment épaisse pour protéger la bille et le logement contre l’usure.

Ce test nécessite un rhéomètre pourvu d'une configuration bille sur trois plaques. 

Les mesures de dégazage peuvent être effectuées sur un rhéomètre pourvu d’une cellule de poudre. Dans un premier temps, la poudre est entièrement fluidisée pendant une durée déterminée, puis le débit d'air est arrêté et la pression dans la cellule de poudre est mesurée plusieurs fois à intervalles très rapprochés. Lorsque le signal atteint des valeurs constantes, cela signifie que l’air s’est totalement échappé de l’échantillon en poudre.

Ce test nécessite un rhéomètreprenant en charge la rhéologie des poudres.

Les revêtements en poudre sont une alternative libre d'émissions aux revêtements liquides, car ils ne contiennent pas de solvants. Habituellement, un revêtement en poudre est appliqué par électrostatique. Par la suite, un film est établi en faisant fondre toutes les particules de revêtement en poudre. La durée et la température nécessaires pour la formation du film sont très importantes car les deux paramètres influencent grandement les dimensions des sites de production et affectent en outre les coûts de traitement. L'objectif présent est donc de développer des revêtements en poudre nécessitant une température basse pour la formation du film.

Afin de déterminer le comportement de maturation des revêtements en poudre, on peut effectuer un test de température avec un rhéomètre oscillatoire. Un test oscillatoire détermine simultanément le comportement visqueux, décrit par le module de perte G” et le comportement élastique représenté par le module de stockage G’. Le comportement de maturation peut ainsi être déterminé comme comportement dépendant du temps à une température constante (test isotherme) ou bien comme comportement dépendant du temps au sein d'une certaine gamme de températures.

nécessite un rhéomètre pourvu d’un système de contrôle de la température par effet Peltier.

Il s'agit d’un exemple parmi d’autres des études rhéologiques couramment pratiquées dans l’industrie automobile.

Les revêtements en poudre sont une technologie qui gagne en importance initialement pensée pour créer des revêtements plus résistants. Les revêtements en poudre sont également plébiscités pour leurs procédés plus écologiques, sans solvants. Leur traitement comprend plusieurs étapes, dont la fluidisation et/ou le transport pneumatique, qui sont fortement influencés par la rhéologie de la poudre. De fait, les mesures rhéologiques peuvent dresser un portrait informatif sur la qualité des particules et indiquer si une poudre est apte à former un revêtement en poudre. La poudre doit posséder une rhéologie des fondus adaptée (viscosité et comportement de réticulation) et parallèlement être fluidisable et présenter une bonne rétention d'air afin d’être transportable. Un moyen d'améliorer la fluidité et la fluidisation d’une poudre est d'ajouter une petite quantité de silice fumée.

La qualité d’une poudre peut être examinée à l’aide d'un rhéomètre pourvu d’une cellule de poudre, par exemple en effectuant des mesures de chute de pression montrant le débit requis pour fluidiser complètement un échantillon (voir graphique ci-dessous). L'aptitude d’une poudre au transport pneumatique peut aussi être déterminée avec la cellule de poudre par des mesures de dégazage. Il est également possible de réaliser des mesures de viscosité dans diverses conditions de cisaillement, lesquelles peuvent fournir une bonne indication de l’endroit où des difficultés sont susceptibles de survenir au cours du transport.

Ce test nécessite un rhéomètreprenant en charge la rhéologie des poudres.

Un revêtement de finition est souvent la couche finale. Dans la plupart des cas, elle est appliquée sur les surfaces pour que celles-ci paraissent brillantes et pour les protéger contre les conditions environnementales et autres influences. Afin de ne pas s'affaisser sous la surface ou mettre en évidence les marques de pinceau après application, la couche de finition doit retrouver sa structure dans le temps établi ; son temps de récupération ne doit être ni trop rapide, ni trop lent. Un facteur de qualité important des couches de finition est la dépendance au temps de la régénération structurelle qui influence à son tour le nivellement de surface et le comportement face à l'affaissement. Cette récupération structurelle peut être décrite dans certains cas à l'aide du terme rhéologique de thixotropie.

En rhéologie, le comportement thixotropique est défini comme étant la réduction de la résistance structurelle pendant un intervalle de test avec une charge de cisaillement et une régénération complète de la structure pendant l'intervalle suivant de repos. Ce comportement peut être mesuré lors de tests de rotation ou d'oscillation, en exécutant un test de thixotropie sur trois intervalles. La procédure de test simule le processus d'application avec les trois intervalles de mesure suivants :

1. Intervalle de repos : évaluation de la structure au repos en prédéterminant une charge très faible de cisaillement.
2. Intervalle de charge : évaluation du comportement de décomposition structurelle pendant l'application sous une charge de cisaillement constante et élevée.
3. Intervalle de récupération structurelle : évaluation de la régénération structurelle en fonction de la période suivant l'application. Les conditions de mesure prédéterminées sont exactement les mêmes que pendant l'intervalle de repos.

nécessite un rhéomètre pourvu d'un système de contrôle de la température par effet Peltier.

Il s'agit d’un exemple parmi d’autres des études rhéologiques couramment pratiquées dans l’industrie automobile.

La qualité des peintures est importante, à la fois en ce qui concerne la fabrication et l'application. Idéalement, une peinture murale doit pouvoir être remuée, mélangée, dispersée, pompée et s'écouler. En fonction de l’application, les peintures murales doivent pouvoir être étendues, on doit pouvoir utiliser des pinceaux, des rouleaux, on doit pouvoir les verser ou les vaporiser. Un autre facteur de qualité est le nivellement de surface et le comportement d’affaissement de la peinture une fois appliquée. Idéalement, la structure interne devrait se rétablir sur la période adéquate. Pendant cette période, la désaération doit également avoir le temps de se produire. Une surface lisse, brillante et homogène sans petites gouttes ni éclaboussures est généralement requise.

Le nombre de tests rhéologiques disponibles augmente constamment, notamment pour les utilisateurs dans la recherche et le développement tout comme en ce qui concerne le contrôle de la qualité et des processus. Un rhéomètre peut être utilisé pour évaluer des phénomènes comme le point de rupture lors de la détermination de la résistance de la structure au repos, le comportement de fluidification par cisaillement à l'état fluide et enfin la thixotropie lors de l'analyse de la récupération de la structure interne en fonction du temps, après application.

La plupart des peintures montrent un comportement de fluidification par cisaillement, avec une diminution de la viscosité lorsque le gradient de cisaillement est augmenté. Donc, plus vous remuez rapidement, plus la viscosité sera faible. Ce comportement peut être mesuré par des tests rotationnels.

nécessite un rhéomètre pourvu d’un système de contrôle de la température par effet Peltier.