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12ème Congrès de Mécanique 21-24 Avril 2015 Casablanca (Maroc)
RHÉOLOGIE ET ÉCOULEMENT DE
SUSPENSION DE NANO-FIBRES
FIBRES DE CELLULOSE
INVESTIGATION PAR IRM DANS UN
DISPOSITIF DE COUETTE
SKALI LAMI S., LECLERC S., MATHIEU J.,
QUEZENNEC C., GUERRIN D.- (CTP GRENOBLE).
Les techniques de mesures applicables sont non optiques pour
ces milieux généralement opaques, elles sont fondées sur
l’imagerie par résonance magnétique nucléaire (MRI) [5,6]
ou l'échographie Doppler ultrasonore (UVP) [7].
Une suspension de nano-fibres de cellulose a été étudiée
expérimentalement en écoulement dans un dispositif de
Couette à grand entrefer (Fig3), après avoir été qualifiée par
rhéométrie.
II-
RESULTATS
Université de Lorraine, Nancy France
INTRODUCTION
L’écoulement de suspensions de fibres de cellulose constitue
la partie dite humide des machines à papier lors de la
fabrication de celui-ci. Cette étape est cruciale pour la qualité
du papier car elle conditionne l’orientation et la répartition
spatiale de la concentration en fibres dans la feuille ou encore
la floculation des fibres. Ces dernières années, avec
l’évolution technologique, il a été possible de produire des
micro-fibres et des nano-fibres de cellulose. En effet la
désintégration de la structure fibreuse en des fibrilles
élémentaires, produit de nouveaux matériaux. Cette
désintégration peut être faite en utilisant une combinaison de
broyeurs mécaniques et les traitements chimiques et
enzymatiques qui donnent généralement en milieu aqueux des
suspensions de fibrilles. Appelées micro (nano) fibrilles de
fibres cellulose (MFC), elles ont généralement une longueur
de 100 à 1000 nm et un diamètre de 5 à 30 nm [1]. Les
propriétés mécaniques et rhéologiques de ces suspensions de
fibres, encore relativement mal connues, sont très différentes
de celles des fibres de cellulose utilisées en papeterie. La
suspension de ces particules de tailles très petites par rapport
à celles utilisées dans la pâte à papier soulève de nouvelles
problématiques de l’écoulement de ces suspensions.
Les propriétés rhéologiques, dépendant fortement des
caractéristiques des fibres et de leur concentration, affectent
la nature des écoulements de ces suspensions notamment par
le biais de la floculation des fibres [2-3]. A l’échelle des
fibrilles, cas des MFC, ces suspensions tendent à former des
gels structurés dont le comportement global sous cisaillement
montre un caractère rhéofluidifiant et thixotrope [3-4]. Le
comportement rhéologique local montre des localisations au
sein du gel où les mesures rhéologiques classiques ne
permettent pas de les caractériser finement Fig.1.
La qualification par mesures rhéométriques (AR2000 à taux
de cisaillement imposé) de cette suspension montre Fig.2
l’existence d’un seuil de l’écoulement et d’une
rhéofuidification .
30
25
20
15
10
NFC 2%
Shaer stress (Pa)
I-
Data
5
Shear rate (S-1)
0
0,001
0,1
10
1000
Fig. 2 Rhéogramme de suspension de nanofibres de cellulose
(courbe montée en cisaillement).
Le seuil d’écoulement se situe vers 1.5Pa.
Afin de déterminer le comportement de l’écoulement de cette
suspension et de situer la zone de localisation, nous avons
réalisé des mesures de profils de vitesses par IRM dans un
écoulement de Couette à large gap (Fig3).
Fig3. Dispositif de Couette utilisé (Rint=20mm et Rext=
50mm). A droite le système MRI (Biospec 24/40 Bruker
100MHz).
Fig.1 Nano-fibres 2% dans rhéomètre plan/plan : gauche vue
de dessus et droite vue de dessous.
Dans un premier temps un écoulement en eau a été pris
comme référence dans ce dispositif ; celui-ci montre
l’existence des rouleaux de Taylor même à faibles vitesses de
rotation du cylindre intérieur car la dimension de l’entrefer est
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très grand (30mm). Ce résultat Fig.4 est en effet prévisible car
le nombre de Taylor est supérieur 41,2. La simulation
numérique associée décrit bien le profil de vitesses dans cet
écoulement.
caractérisée par une contrainte plus faible que le module
élastique.
Fig4 L’écoulement de l’eau dans ce dispositif montre
l’existence (présence des rouleaux de Taylor : Ω=126tr/mn,
Ta=9600).
L’écoulement des nonfibres de cellulose dans ce dispositif
Fig.5 montre clairement l’existence d’une localisation. Celleci, résultant du comportement de fluide à seuil, varie avec la
vitesse de rotation du cylindre intérieur, elle se situe pour une
vitesse de rotation de 126tr/mn au alentour de la position
réduite 0.4.
Velocity NFC2%
Velocity (m/s)
0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0
-0,05 0
Num.simulation
MRI data
0,5
1
(r-Rint)/(Rext-Rint)
Fig.6 Contrainte de cisaillement locale rapportée au module
élastique en fonction de la position réduite - comparaison
avec la viscosité locale.
Ces résultats montrent que la viscosité locale croît
drastiquement lorsque l’on s’approche de la zone de non
écoulement comme le montre la figure 6.
III-
CONCLUSION
Le comportement des suspensions de nanofibres de cellulose
est caractérisé par des hétérogénéités locales importantes. Les
mesures rhéologiques globales montrent que ces suspensions
possèdent un seuil de l’écoulement
et
d’une
rhéofluidification. Ces caractéristiques se retrouvent dans les
mesures de profils de vitesses par IRM dans un dispositif de
Couette à grand entrefer. En effet, celles-ci soulignent les
effets seuil du fluide sur le profil de vitesses qui se traduisent
par une zone de localisation. La limite entre les deux zones a
été identifiée par une contrainte de cisaillement locale du
même ordre de grandeur que le module élastique de la
suspension.
Fig5. L’écoulement de NFC (Ω=126tr/mn, Ta=20).
RÉFÉRENCES
Les résultats ainsi obtenus sont comparés à ceux d’une
approche théorique basée sur une dynamique de structurationdéstructuration locale d’un réseau de fibres sous les effets du
taux de cisaillement Fig.5. Par ailleurs lorsque l’on représente
le rapport de la contrainte de cisaillement locale à l’élasticité
du réseau en fonction de la position radiale réduite, on montre
que la partie de l’entrefer où la suspension s’écoule
correspond à une contrainte supérieure au module élastique
Fig.6. La zone de localisation, zone de non écoulement, est
1 B. Derakhshandeh, R.J. Kerekes, S.G. Hatzikiriakos, C.P.J.
Bennington, Rheology of pulp fibre suspensions: A critical
review, Chemical Engineering Science, 66(15), 34603470,2011.
2 R.J. Kerekes and C.J. Schell, Characterization of fibre
flocculation by a crowding factor.Journal of Pulp and Paper
Science, 18(1):32–38, 1992.
3 M. Iotti, O. Gregersen S. Moe, M. Lenes, Rheological
Studies of Microfibrillar CelluloseWater Dispersions, Journal
of Polymers and the Environment, 19(1):137-145, 2011
12ème Congrès de Mécanique 21-24 Avril 2015 Casablanca (Maroc)
4 A. Karppinen, T. Saarinen, J. Salmela, A. Laukkanen, M.
Nuopponen, J. Seppälä, Flocculation of microfibrillated
cellulose in shear flow, Cellulose, 19(6):1807-1819, 2012.
5 R.L. Powell, J.E. Maneval, J.D. Seymour, K.L. McCarthy
and M.J. McCarthy, The Nuclear Magnetic Resonance
Imaging for Viscosity Measurements, Journal of Rheology,
38(5):1465-1470, 1994.
6 D.F. Arola, G.A. Barrall, R.L. Powell, K.L. McCarthy and
M.J. McCarthy, Use of Nuclear Magnetic Resonance Imaging
as a Viscometer for Process Monitoring, Chemical
Engineering Science, 52(13):2049-2057, 1997.
7 B. Ouriev, E. J. Windhab, Rheological study of
concentrated suspensions in pressure-driven shear flow using
a novel in-line ultrasound Doppler method. Experiments in
Fluids, 32:204-211, 2002.