Apport de la peinture à l’huile Thixotropie et autres effets surprenants.

Introduction Les peintures collent au pinceau et au mur, et bien sûr s’étalent quand on les travaille avec ce même pinceau : le mélange pigment (couleur)- huile (liant) est donc un mélange thixotrope : facile à étaler, la peinture à l’huile ne coule pas ! Quelques exemples concrets vont permettre de comprendre et d’étudier le comportement étrange de ces mélanges dont la viscosité change quand on les soumet à des contraintes physiques.

I) Qu’appelle t-on viscosité? Un solide peut subir une contrainte statique : il peut être déformé par l'application d'une force constante dans le temps. Comme par exemple un élastique ou un ressort que l'on tendrait entre deux doigts. La contrainte est définie comme le rapport de la déformation sur l'épaisseur.

Un liquide (et c'est une définition), n'offre pas de prise aux forces constantes. On ne peut pas prendre de l'eau entre deux doigts et si on "appuie" à la surface de l'eau on ne sent aucune résistance. Par contre, si la contrainte est fonction du temps (par exemple si l'on agite la main dans l'eau), on ressent une force, et cette force est fonction (linéaire pour les liquides newtoniens) de la vitesse d'agitation. La constante de proportionnalité est la viscosité.

Définition : Le coefficient qui lie la vitesse de déformation (i. e Définition : Le coefficient qui lie la vitesse de déformation (i.e. le taux de déformation par seconde) à la déformation s'appelle la viscosité.

II) Mesure de la viscosité d’un mélange : η. Réaliser le mélange eau-farine (masses identiques). Matériels disponibles : entonnoir, éprouvette graduée, chronomètre, farine, eau et balances. A l’aide de la formule : (Loi de poiseuille). ηmélange = ηeau * (ρmélange * ∆t1)/(ρeau * ∆t2). Avec ηeau = 10-3 Pa.s et ρeau = 1g.cm-3.

III) Modélisation de l’effet thixotrope des peintures à l’huile. Identification des caractéristiques des mélanges utilisés. Mélange 1 : eau Mélange2 : Pâte à pizza. Mélange 3 : Ketchup; miel. Mélange 4 : Fromage blanc. Quels sont les différences observés entre ces mélanges ? Matériels disponibles : Entonnoirs; éprouvettes graduées; balances.

Le mélange n°1 est dit newtonien : Les liquides dont la viscosité est constante quel que soit la vitesse de déformation. Le mélange n°2 est dit rhéo-épaississants : Les liquides dont la viscosité augmente avec le taux de déformation. La pâte à pizza : Si on la malmène, elle est plutôt dure, on peut la mettre en boule. Mais si on pose la boule, elle aura tendance à couler. Les Anglo-saxons connaissent un produit qui s'appelle "Silly Putty", à base de silicone ou d'autres produits. Façonnée en boule, elle rebondira contre les murs si on la jette violemment, mais posée sur une surface elle coulera partout.

Le mélange n°3 est dit rhéo-fluidifiant Le mélange n°3 est dit rhéo-fluidifiant. : Les liquides dont la viscosité diminue avec la vitesse de déformation. Le ketchup ! Pour qu'il sorte du bocal on tape sur le fond. Des peintures aussi, bien sûr, qui collent au pinceau et au mur (pas de cisaillement) mais qui s'étalent et coulent quand on les travaille avec ce même pinceau. Une manière simple et très courante, surtout en peinture, pour rajouter de la tenue, c'est-à-dire de la thixotropie aux peintures est d'y disperser des particules de silice. Du sable propre et fin peut parfois convenir. Le mélange n° 4 est dit liquide à seuil : qui ne commencent à couler que quand la déformation qui leur est appliquée dépasse un certain seuil. Le fromage blanc! Il faut un minimum de contrainte pour qu'il commence à couler. On pourrait classer la mayonnaise dans ce cas aussi. Les peintures "gels", "qui ne coulent pas", sont aussi des liquides à seuil. Disons encore qu'un matériau qui n'est pas newtonien est dit viscoélastique. On dit qu'un fluide est non-newtonien si sa viscosité varie en fonction de différentes contraintes exercées, comme le cisaillement. Le caoutchouc et le dentifrice sont des fluides non-newtoniens alors que l'eau et la bière sont des fluides newtoniens. Pour simplifier, c'est un liquide mais qui peut devenir solide quand on le manipule. Conclusion : Intérêts de la peinture à l’huile pour le peintre.

IV) Observation du mélange eau-maizena L'amidon de maïs est un polysaccharide de formule chimique (C6H10O5)n. Il est composé de molécules de glucose.  Le grain d'amidon se présente sous forme de granules semi-cristallin. Densité du mélange eau-maizena : 1.2 Formule chimique : C6H10O5 1) Calculer la masse volumique du mélange eau/maizena. 2) Préciser comment évolue la viscosité de ce mélange quand on le soumet à une contrainte. Explications :   On peut expliquer  le changement de réaction du mélange que nous étudions en se penchant au niveau moléculaire. En effet les molécules de l’amidon de maïs, ont des formes assez biscornues et rugueuses. Quand on rajoute de l’eau à l’amidon les molécules aqueuses forment un manteau fragile autour des molécules d’amidon. Dans cette enveloppe,  elles forment des sortes de boules qui peuvent glisser les unes sur les autres. Au niveau macroscopique, on se trouve face à une matière qui semble liquide. Mais lors d’un choc, ce liquide devient solide.  Au niveau moléculaire, la membrane faite d’eau est détruite momentanément. Les molécules d’amidon retrouvent leurs formes irrégulières et s’accrochent les unes aux autres et empêchent leur glissement. L’amidon de maïs est une sorte de farine, donc elle a une consistance solide. Celle-ci est connue pour ses propriétés culinaires, mais aussi physiques. Associée à une certaine quantité d’eau, celle-ci va adopter une consistance tout à fait étonnante. En effet, le mélange maïzena/eau donne un fluide à la consistance quasi-liquide. Par contre, si l’on exerce une force dessus à une vitesse plus ou moins élevée, ce fluide change de consistance et se solidifie instantanément. La limite entre le solide et le liquide est donc très mince, car l’état du fluide composé de maïzena et d’eau varie en fonction de différents critères comme par exemple : la quantité à la fois de maïzena et d’eau, la vitesse avec laquelle on applique un choc dessus, la température du mélange,… 

Comparaison farine/maizena en solution au microscope optique afin de montrer l’origine de la transformation en présence d’eau. La farine en solution étant un fluide newtonien devrait présenter des caractéristiques différentes.