Qu’est-ce qu’un matériau viscoélastique ?

Qu’ont en commun le bois, la glace et les disques d’une colonne vertébrale humaine ? Ce sont tous des matériaux viscoélastiques. La viscoélasticité est une qualité impliquant des propriétés visqueuses et élastiques en même temps. La QCM-D est une technologie sensible à la surface qui peut caractériser les propriétés viscoélastiques de films moléculaires minces ainsi que de matériaux en vrac.

Les matériaux viscoélastiques se comportent à la fois comme un liquide et un solide

Il existe de nombreux matériaux qui présentent des propriétés viscoélastiques, allant des structures biologiques naturelles telles que les tissus, le cartilage et la peau, aux polymères synthétiques et au béton. Le fait d’être viscoélastique signifie que le matériau, dans une certaine mesure, se comporte à la fois comme un liquide et comme un matériau solide, et qu’il présente une déformation dépendant du temps.

Viscosité

La viscosité décrit la résistance d’un fluide à l’écoulement, figure 1. Plus la viscosité est élevée, plus la force nécessaire pour générer un écoulement spécifique est importante. Comparez par exemple le miel au lait, le miel ayant la viscosité la plus élevée des deux. Mesurée en Pascal∙seconde (Pa-s), la viscosité du miel est de 10 Pa-s, soit environ trois mille fois celle du lait qui a une viscosité de 0,003 Pa-s. Et c’est pourquoi le miel ne s’écoule pas aussi facilement que le lait.

Figure 1. La définition de la viscosité dynamique : la proportionnalité entre la contrainte de cisaillement appliquée et le gradient de vitesse d’écoulement induit.

Elasticité

L’élasticité est une propriété caractéristique des matériaux qui décrit la résistance d’un matériau solide à la déformation et est donnée en Pa, figure 2. L’élasticité décrit comment une certaine force appliquée fera déformer un matériau solide, et plus l’élasticité est élevée, plus la force nécessaire pour provoquer une déformation donnée sera importante. Par exemple, pensez au caoutchouc par rapport au métal (élastique à un certain degré), où le métal a l’élasticité la plus élevée.

Figure 2. La définition du module de cisaillement élastique : la proportionnalité entre la force appliquée et la déformation de cisaillement induite.

Des modules élastiques différents dans des situations différentes

Il existe différents modules élastiques, décrivant des situations de contraintes légèrement différentes :

• Le module élastique (de Young) donne la déformation sous une contrainte uniaxiale
• Le module apparent donne la résistance à une compression uniforme
• Le module élastique de cisaillement décrit la résistance d’un matériau à une force de cisaillement

Les solides durs, comme le diamant, ont des modules élastiques très élevés (module de cisaillement de 478 GPa), ce qui signifie qu’une grande contrainte est nécessaire pour déformer le matériau. Les solides plus mous, tels que l’aluminium, en revanche, ont des modules élastiques plus faibles (module de cisaillement de 25 GPa), car moins de contrainte est nécessaire pour induire une déformation.

Le comportement du matériau dépend de l’échelle de temps

Les matériaux viscoélastiques peuvent se comporter de manière prédominante comme visqueux ou de manière prédominante comme élastique, ou encore de manière égale, en fonction de l’ampleur et de l’échelle de temps de la contrainte de cisaillement appliquée. Par exemple, le dentifrice se comporte comme un matériau visqueux lorsqu’il est pressé hors du tube, mais principalement élastique lorsqu’il est au repos sur la brosse à dents pour qu’il ne s’écoule pas. Il en va de même pour la peinture, si une contrainte est appliquée avec le pinceau, la peinture s’étale, par exemple, sur le mur, mais lorsqu’elle est laissée au repos, il est préférable qu’elle reste sur le mur sans couler sur le sol. Un autre exemple est celui de la pâte à modeler ou « silly putty » qui, lorsqu’elle est roulée entre vos paumes et jetée sur le sol, rebondit et agit de manière essentiellement élastique. En revanche, lorsqu’on la laisse reposer sur une table, elle commence à couler de manière visqueuse. L’explication de ce type de comportement viscoélastique peut être trouvée au niveau moléculaire et dans l’enchevêtrement des polymères constituant la peinture, le dentifrice ou la pâte à modeler. Un enchevêtrement élevé se traduit par un comportement élastique prédominant (dentifrice au repos ou pâte à modeler sous contrainte), tandis que le désenchevêtrement donne un caractère plus visqueux au matériau (peinture sous contrainte ou pâte à modeler au repos).

Figure 3. Le comportement viscoélastique d’un matériau polymère s’explique par des processus d’enchevêtrement et de désenchevêtrement au niveau moléculaire. Ces derniers entraînent un comportement visqueux prédominant.

Surveiller les propriétés viscoélastiques des couches moléculaires et des liquides

C’est pourquoi il est très intéressant de pouvoir concevoir et caractériser les matériaux de matière molle au niveau moléculaire. Cela peut être fait avec une technique sensible à la surface comme le QCM-D. En surveillant f et D à plusieurs harmoniques, on peut extraire non seulement la masse et l’épaisseur de la couche moléculaire adhérant à la surface, mais aussi les propriétés viscoélastiques (module de cisaillement élastique et viscosité). Cela peut se faire soit pour des films minces fixés à la surface du capteur, soit pour le matériau en vrac, ce qui est utile dans le vaste domaine des applications de rhéologie et de transition de phase, par exemple. En surveillant les changements de viscoélasticité des couches moléculaires attachées à la surface, des processus tels que la réticulation, le gonflement et d’autres changements de conformation peuvent être suivis en temps réel et avec une grande sensibilité.

Télécharger le texte en pdf ci-dessous

.