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Chercheurs du LGP2
(Mai 2011)
 
Grenoble INP-Pagora, Ecole internationale du papier, de la communication imprimée et des biomatériaux
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Laboratoire Génie des Procédés Papetiers (LGP2)

IV - Science et Techniques Graphiques

IV - 2 - Influence de la rhéologie sur la formation et l’impact des gouttes : application à l’impression jet d’encre

L'objectif de ce projet est de déterminer comment la rhéologie du fluide, en particulier le seuil d’écoulement, gouverne, d'une part les mécanismes de formation de goutte, et d'autre part les mécanismes d'impact de cette goutte sur un support en PMMA dont l'état de surface est parfaitement contrôlé. La finalité est à terme de mieux maîtriser la forme finale du dépôt.

Méthodes et moyens expérimentaux

Dans cette étude, des gels de Carbopol ont été choisis. Ces gels sont constitués de polymères dispersés en milieu aqueux et neutralisés avec de la soude. Leur comportement rhéologique a été caractérisé en utilisant un rhéomètre rotatif avec une géométrie cône-plan. Il est modélisé par une loi de type Herschel-Bulkley, dont les paramètres dépendent de la concentration en polymères. Des gouttes de ces gels ont été éjectées sous l’effet de leur propre poids via un dispositif expérimental équipé d’une caméra haute vitesse et d’un logiciel de traitement d’images. Une fois les évènements enregistrés à une vitesse de 2000 images/seconde, l’angle de contact, le diamètre et la hauteur de la goutte lors de l’impact et de l’étalement peuvent être déterminés toutes les 0,5 ms. Ainsi, le comportement dynamique des gouttes millimétriques impactées peut être caractérisé.

Résultats et discussions

Formation des gouttes

Avec l’augmentation du seuil d’écoulement, les gouttes sont de plus en plus allongées et leur forme devient de plus en plus ellipsoïdale. D’autre part, elles présentent une variation de volume. La variation des dimensions des gouttes et du temps nécessaire à leur formation semble liée à la haute sensibilité, à l’équilibre, entre la tension superficielle et la contrainte seuil.

Impact des gouttes

Afin de mettre en évidence l’effet du seuil d’écoulement à différents régimes inertiels, les gouttes ont été éjectées sur une gamme de vitesse variant de 0,3 à 3 m/s. Les phénomènes visualisés à chaque vitesse ont été analysés puis comparés avec le comportement d’un fluide newtonien (l’eau). À des vitesses d’impact relativement faibles, où les gouttes sont quasiment déposées sur le support, un affaissement de ces dernières est observable. Lors du contact avec le support, la goutte se déforme. Elle s’écrase légèrement puis reprend de la hauteur. En augmentant la vitesse d’impact (1,4 à 3 m/s), les gouttes s’étalent jusqu’à un diamètre maximum et se rétractent ensuite pour atteindre leur état d’équilibre final. Dans un fluide à seuil, la goutte perd de sa vitesse en s’étalant ; les contraintes diminuent aussi jusqu’à ce qu’elles tombent éventuellement en dessous de leur valeur de seuil. Lorsque la limite est atteinte, l’étalement s’arrête soudainement.

L’utilisation des fluides à seuil peut donc contribuer au contrôle du profil et surtout du dépôt de gouttes de fluides. Les prochaines étapes du projet consistent à étudier l’effet de la consistance du fluide à contrainte seuil constante et celui de l’état de surface du support.

Évolution de la forme des gouttes en fonction du seuil
Figure 1 - Évolution de la forme des gouttes en fonction du seuil.
Impact du Carbopol gel d’un seuil de 34 Pa sur le film de PMMA à 3 m/s
Figure 2 - Impact du Carbopol gel d’un seuil de 34 Pa sur le film de PMMA à 3 m/s
 
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