Avancées dans la recherche sur les fluides élastoviscoplastiques

Les fluides élastoviscoplastiques (EVP) sont des matériaux qui montrent un mélange unique de comportements solides et liquides. Ils se comportent comme des solides jusqu'à ce qu'une certaine contrainte soit appliquée (la contrainte de seuil) et ensuite, ils s'écoulent comme des liquides quand cette contrainte est dépassée. Ce comportement est important pour de nombreuses substances, y compris les matériaux de construction et les produits de soins personnels. La façon dont ces matériaux se comportent dépend de petites interactions à l'échelle microscopique.

Ces fluides ont aussi la capacité de stocker et de récupérer de l'énergie après déformation, ce qui est crucial pour divers phénomènes, comme la façon dont les bulles se déplacent à travers eux ou comment les sédiments se déposent. Dans des applications comme l'impression 3D, comprendre le comportement d'écoulement de ces fluides peut améliorer l'efficacité mais ça vient avec des défis comme la formation de gouttelettes supplémentaires qui peuvent affecter la précision. Les matériaux traditionnels utilisés dans les labos ont une capacité limitée à s'étirer, ce qui limite leur utilisation dans des applications réelles qui nécessitent des propriétés spécifiques.

#Importance de la Rhéologie Extentielle

La rhéologie extentielle est un domaine qui examine comment les fluides se comportent quand ils sont étirés. C'est particulièrement significatif pour les fluides EVP parce que, bien que le comportement de cisaillement (comment un fluide s'écoule sous contrainte) soit bien étudié, le comportement extensif reste moins exploré. La capacité de ces fluides à s'étirer de façon significative peut mener à une meilleure compréhension des processus comme la formation de gouttes ou comment les matériaux se déchirent quand on les tire. Des recherches récentes ont commencé à explorer l'amélioration de l'étirabilité des fluides à contrainte de seuil en ajoutant des polymères, qui sont de grosses molécules composées d'unités répétitives. Cependant, une séparation claire entre les caractéristiques de cisaillement et d'extension n'a pas encore été atteint.

#Une Nouvelle Approche des Fluides EVP

Cette recherche introduit une nouvelle formulation de fluide EVP conçue pour avoir des distinctions claires entre les comportements de cisaillement et d'extension. En sélectionnant soigneusement des additifs polymères, les chercheurs visent à créer un fluide qui maintient sa structure unique tout en permettant un meilleur étirement. Le fluide spécifique testé est un mélange de Pluronic F127, un type de polymère, et de polyacrylamide hydrolysé (HPAA), qui ajoute des propriétés de réticulation.

#Observer les Changements dans la Structure du Fluide

Pour comprendre comment ces changements impactent la structure du fluide, la microscopie électronique à balayage (MEB) est utilisée. Cette technique permet aux chercheurs de voir les petites structures à l'intérieur du fluide. Dans les images, le Pluronic F127 pur apparaît poreux avec des formes allongées, mais quand le HPAA est ajouté, la taille des pores devient plus petite et les formes deviennent plus arrondies. Ce changement de structure est crucial pour comprendre comment le fluide va se comporter sous différentes conditions.

#Comportement de Cisaillement du Fluide Modifié

Le comportement de cisaillement du fluide modifié avec HPAA est examiné en détail. En utilisant un dispositif spécial appelé rhéomètre, qui mesure comment un fluide s'écoule sous des forces appliquées, les chercheurs obtiennent des courbes d'écoulement qui montrent la relation entre la contrainte et le taux de cisaillement. Les résultats montrent que même avec des quantités variables de HPAA, la contrainte de seuil reste constante. Cela suggère que le polymère ajouté ne modifie pas fondamentalement combien de contrainte le fluide peut supporter avant de commencer à s'écouler.

De plus, les tests montrent que la température de gélification-le point où le fluide commence à s'épaissir-reste inchangée lorsque le HPAA est inclus. Cela indique que l'ajout de HPAA n'interfère pas avec le processus de gélification, ce qui est important pour de nombreuses applications.

#Analyse du Comportement Extentiel

Pour analyser comment le fluide nouvellement formulé se comporte quand il est étiré, les chercheurs utilisent un appareil appelé rhéomètre d'extension par rupture capillaire (CaBER). Cet instrument crée un filament de fluide et mesure comment il s'amincit avec le temps. Le Pluronic F127 pur ne forme pas un filament stable par lui-même et se casse rapidement; cependant, quand le HPAA est ajouté, un filament stable peut être formé. L'ajout de HPAA permet de suivre l'amincissement du filament, révélant que le Temps de relaxation-le temps qu'il faut au fluide pour revenir à son état initial après avoir été déformé-peut être mesuré efficacement.

Les résultats indiquent que même sous diverses conditions, les temps de relaxation restent constants, ce qui signifie que le fluide se comporte de manière prévisible. Cela est précieux pour les applications pratiques puisque comprendre combien de temps il faut à un fluide pour se rétablir aide à concevoir des processus utilisant ces matériaux.

#Utilisation d'OSCER pour des Insights Supplémentaires

Des investigations supplémentaires sur les propriétés extensibles sont menées en utilisant un rhéomètre d'extension à fente croisée de forme optimisée (OSCER). Cet appareil permet de capturer comment le fluide s'écoule dans une zone contrôlée, fournissant des insights sur comment la forme de l'écoulement change sous différentes conditions.

Lors des tests avec le fluide modifié, les chercheurs observent que l'écoulement se comporte surtout de manière symétrique à faible contrainte, reflétant un comportement typique des fluides. Cependant, à mesure que la contrainte augmente, des signes d'instabilité commencent à apparaître, indiquant des interactions complexes au sein du fluide. À des taux plus élevés, le fluide passe d'un comportement de fluide à contrainte de seuil à un comportement plus élastique, suggérant qu'à des taux d'extension plus élevés, les propriétés élastiques du matériau deviennent plus prononcées.

#Implications pour les Applications Réelles

Comprendre le comportement de ces fluides a d'importantes implications pour diverses industries. Dans des processus comme l'impression 3D, où la précision est cruciale, la capacité de gérer à la fois les comportements de cisaillement et d'extension peut améliorer la qualité et la précision des produits imprimés. Les insights tirés de cette recherche peuvent aider à concevoir de meilleurs matériaux pour les encres utilisées dans l'impression, car les méthodes actuelles se concentrent souvent uniquement sur les propriétés de cisaillement sans considérer comment les matériaux se comporteront lorsqu'ils sont étirés.

De plus, les résultats suggèrent que les fluides nouvellement formulés peuvent atteindre une contrainte de seuil extensible plus élevée que prévu par les modèles traditionnels. Cela indique un besoin de nouvelles théories qui considèrent ensemble les propriétés de cisaillement et d'extension, aidant à combler les lacunes dans la compréhension de la dynamique des fluides.

#Conclusion

Cette étude démontre qu'il est possible d'ajuster le comportement extensible des fluides élastoviscoplastiques grâce à l'ajout soigneux d'additifs polymères. Les chercheurs ont découvert que ces ajouts peuvent avoir un impact significatif sur la façon dont les fluides se comportent lorsqu'ils sont étirés, tout en gardant les propriétés de cisaillement largement inchangées. Cela ouvre de nouvelles voies pour la recherche et l'application industrielle, surtout dans des domaines où un contrôle précis du comportement des fluides est essentiel.

La transition d'un comportement semblable à une contrainte de seuil à un comportement viscoélastique sous des taux d'extension plus élevés souligne la complexité de ces fluides et leur potentiel pour des applications innovantes. En améliorant à la fois la compréhension et l'application pratique de ces matériaux, la recherche pave la voie à de meilleures pratiques dans les industries dépendantes de la dynamique des fluides.