FR3135607A1 - Pinceau à réservoir pour fluides viscoélastiques rhéopaississants - Google Patents

Abstract

L’invention est relative à un dispositif de virole (c) pour pinceau contenant un réservoir, virole disposée à contenir des médiums de types fluides viscoélastiques rhéoépaississants, se caractérisant en ce qu’elle est constituée en son sein de : - un clapet (d) actionné par la gravité qui agit en obturant l’ouverture (e) constituée entre le réservoir (a’) et la touffe de poils (b), - une grille (f) située immédiatement sous le clapet dans la virole, qui dispose d’un nombre de trous (g) pour le passage du médium, ces trous limitant les écoulements des médiums trop fluidifiants. Figure pour l’abrégé [Fig. 2]

Description

Pinceau à réservoir pour fluides viscoélastiques rhéopaississants

L’invention est relative à un dispositif de pinceau contenant un réservoir disposé à contenir des médiums de types fluides viscoélastiques rhéoépaississants.

Etat des connaissances : Nous avons recherché dans l’état des connaissances :
- quels étaient les dispositifs existants permettant de réaliser une caractérisation du comportement des fluides viscoélastiques rhéoépaississants lors de leur écoulement depuis un réservoir rigide et au travers d’une touffe de poils jusqu’au support sur lequel il doit être déposé, ceci particulièrement aux fins de permettre leur utilisation dans des pinceaux rechargeables,
- les principes scientifiques qui régissent le comportement de ce type de fluide

Etat de la technique : L’état des connaissances actuelles peut se distinguer selon trois familles technologiques distinctes :

a) La première famille technologique concerne les dispositifs de pinceau réservoir ; Ces dispositifs sont constitués d’un compartiment. Ces dispositifs sont contraints en ce que :
- aucun dispositif connu n’est adapté à permettre l’écoulement de fluide rhéoépaississant car ces dispositifs sont : soit utilisés uniquement pour des écoulements linéaires, soit encore dotés de dispositifs d’agitation jusque dans la touffe de poils.
Nous pouvons citer comme exemple de cette première famille technologique:
- notre propre brevet FR3052651 qui présente un pinceau doté d’un réservoir placé dans le manche, d’un mécanisme de recharge et de touffes de poils fixées sur des viroles interchangeables,
- un autre brevet FR3100114 qui présente un dispositif de pinceau pour tout secteur beaux-arts/cosmétiques et loisirs créatifs, doté d’un manche rigide recevant un réservoir, ledit pinceau étant apte à distribuer régulièrement des fluides à comportement newtonien,
- enfin le brevet FR3100115 qui divulgue un dispositif de pinceau pour tous secteurs beaux-arts/cosmétiques et loisirs créatifs, doté d’un manche rigide recevant un réservoir, ledit pinceau étant apte à distribuer à débit régulier des fluides à comportement non newtonien de type Bingham. Cependant ces dispositifs ne peuvent pas convenir pour notre objet en raison de ce que le changement de viscosité sous contrainte ne permet pas le passage des fluide rhéoépaississant.

b) - La deuxième famille technologique concerne des dispositifs d’applicateurs rigides . Ces dispositifs sont utilisés pour des fluides Newtonien peu visqueux. Si l’on place des fluides rhéoépaississant dans un dispositif type « Roll-On »®, il se produit un colmatage dès lors que la partie à l’intérieur du tube est mise en mouvement ; si bien qu’une dépose continue n’est pas possible. Par ailleurs, le temps d’attente pour la reprise du mouvement est très supérieur au temps de dépose, ceci est dû à ce que l’accumulation de médium sur l’intérieur de la bille en mouvement prends plus de temps pour son retour à une viscosité initiale. Ces dispositifs sont limités quant à leur usage car les surfaces d’application doivent être convexes et ne conviennent pas pour des applications sur des formes concaves.
A ce titre nous pouvons citer comme exemple :
- le brevet WO2016005627 qui divulgue « un dispositif de type « roll-on »® pour l'application de doses exactes de formulations liquides et/ou semi-solides » dont l’objet est le dosage d’un produit ,
- ou encore le brevet FR2839426 qui présente un « dispositif applicateur de type « roll-on »® dont la caractéristique est que l’organe d'application est monté de manière à avoir une portion capable d'obturer de manière étanche ladite ouverture lorsque le dispositif est en position de stockage.

c) - La troisième famille technologique concerne les dispositifs d’applicateurs souples. Ces dispositifs ne conviennent pas pour résoudre notre objet car l’inconvénient est que les mousses vont s’imprégner de médium liquide qui va se « durcir » sous la contrainte de la dépose, ce qui présente l’effet inverse de ce qui est souhaité ; tandis qu’après un temps de relaxation, le médium va reprendre une viscosité moindre et s’écouler, ce qui va générer des coulures indésirées.

Nous pouvons citer comme exemple le brevet WO2007070963 qui divulgue un applicateur distributeur de liquide avec élément de valve souple.

En conséquence de l’état des technologies connues, Il n’existe pas de dispositifs qui répondent à l’objet de notre étude, en ce qu’aucun ne répond dans sa caractérisation technologique aux effets des caractéristiques de fluides rhéoépaississants. En effet, si tous les brevets précités (FR3052651, FR3100114, FR3100115, WO2016005627, FR2839426) intègrent les caractéristiques de : pinceau réservoir dotés d’un réservoir rigide, pouvant agir sur tout type de surface, ne peuvent assurer la maitrise du débit du fluide dilatant. En conséquence ils ne peuvent satisfaire à l’emploi de fluides rhéoépaississants. Par ailleurs les dispositifs « roll-on »® (WO2016005627, FR2839426), ne sont pas plus étudiés pour des fluides rhéoépaississants

Etat de la science : Relativement à l’objet de notre invention, nous devions connaitre la caractérisation du comportement des fluides viscoélastiques rhéoépaississants :
- lors de leur écoulement depuis un réservoir rigide,
- au travers d’une touffe de poils,
- jusqu’au support sur lequel il doit être déposé,
ceci particulièrement aux fins de permettre leur utilisation dans des pinceaux rechargeables, les éléments qui interviennent sur le plan scientifique sont :

Les comportements rhéologiques des fluides viscoplastiques rhéoépaississant ne sont pas déterminés pour le changement de géométrie de l’écoulement passant du réservoir rigide à la touffe de poils. Les éléments bibliographiques étudiés qui font état de la connaissance scientifique sont donnés ci-après :
[1] Les techniques de l’ingénieur/ Réf. : AM3630 V2 Viscoélasticité non linéaire des polymères fondus Cet article est issu de : Matériaux | Plastiques et composites par Christian CARROT,
[2] Etude rhéologique du comportement rhéoépaississant d’un polymère amphiphile / THÈSE présentée le 30 Septembre 2008 pour l’obtention du Doctorat de l’Université du Maine – Le Mans Spécialité Chimie et Physico-chimie des polymères Par Ji WANG,
[3] Université des Sciences et de la Technologie d’Oran/ Thèse Pour l’obtention du titre de Docteur Es-Sciences En Génie mécanique Option : Energétique Présentée par Mohammed BOUTABAA/ Simulation numérique des Vortex de Dean dans un fluide newtonien et un fluide viscoélastique en écoulement dans des conduites courbes à sections carrée et rectangulaire,
[4] les Techniques de l’ingénieur /Réf. J3860 Mélange des milieux pâteux de rhéologie complexe. Théorie Cet article est issu de : Procédés chimie - bio - agro | Opérations unitaires. Génie de la réaction chimique par Hervé DESPLANCHES, Jean-Louis CHEVALIER,
[5] Elisabeth Guazzelli. Rhéologie des fluides complexes. École d’ingénieur. Rhéologie des fluides complexes, France. 2001,
[6] Audrey COMMON / THESE / Développement d’un procédé propre assisté par CO2supercritique pour la production de particules de polyamides : caractérisation et faisabilité,
[7] Ghania Benbelkacem-Benmouffok. Viscoélasticité et écoulements de fluides structurés. Autre. Institut /National Polytechnique de Lorraine, 2009,
[8] Davina Desplan. Caractérisation rhéologique multi-échelle des émulsions cosmétiques pour leur stabilité et leur conservation. Génie chimique. Université de Cergy Pontoise, 2018,
[9] Ecoulement très lent d’un fluide viscoplastique de Bingham autour d’un cylindre. / Dodji Léagnon Tokpavi,
[10] Bakhtiyor Khuzhayorov, Jean-Louis Auriault, Pascale Royer. Ecoulement transitoire d’un fluide viscoélastique linéaire en milieu poreux. 4èmes Journées d’Etude sur les Milieux Poreux, Jun 1999, Nancy, France.
[11] Fatma Zohra Ouerdane, Mohamed Mahfoud, Salah Benhadid. Structure d’écoulement et pertes decharge d’un fluide viscoélastique. CFM 2007 - 18ème Congrès Français de Mécanique, Aug 2007,Grenoble, France.
[12] Initiation à la rhéologie/ Sébastien PONCET Groupe MECAFLU-GTE-2A sur l’ENT/ IUT Génie Thermique et Energie/ Année 2012-2013
[13] Abdoulaye Fall. RHEOPHYSIQUE DES FLUIDES COMPLEXES : ECOULEMENT ET BLOCAGE/ DE SUSPENSIONS. Analyse de données, Statistiques et Probabilités [physics.data-an]. Université Paris-Diderot - Paris VII, 2008.

Relativement à nos préoccupations, il convient de rappeler les résumés suivants issus de ces ouvrages :

Selon « Les techniques de l’ingénieur » Réf. : AM3630 V2 Viscoélasticité non linéaire des polymères fondus. Cet article est issu de : « Matériaux | Plastiques et composites » par Christian CARROT : « L'article donne un panorama des connaissances sur le comportement viscoélastique non linéaire des polymères fondus plus particulièrement en cisaillement et en élongation uni-axial. Les rhéomètres utilisés pour caractériser la viscoélasticité non linéaire sont présentés ainsi que les fonctions rhéologiques les plus communément utilisées et leur lien avec la structure des polymères. Des exemples d'applications au choix des matériaux pour les procédés de mise en œuvre des matières plastiques sont donnés. Enfin une introduction aux concepts, qui sont à l'origine des modèles et des équations constitutives utilisées pour la simulation numérique des écoulements des polymères fondus, est proposée. »

Une autre source de l’Université des Sciences et de la Technologie d’Oran se rapporte à une thèse pour l’obtention du titre de Docteur Es-Sciences En Génie mécanique Option : Energétique, présentée par Mohammed BOUTABAA : « Simulation numérique des Vortex de Dean dans un fluide newtonien et un fluide viscoélastique en écoulement dans des conduites courbes à sections carrée et rectangulaire « La présente étude est consacrée à la simulation numérique tridimensionnelle des écoulements secondaires de Dean, au sein de l’écoulement non établi d’un fluide newtonien et d’un fluide viscoélastique de Phan-Thien-Tanner dans une conduite courbe à 180°. La section d’écoulement varie de la forme carrée à la forme rectangulaire dont le rapport d’aspect varie de 2 à 12. La méthode des volumes finis avec un maillage décalé est utilisée pour résoudre les équations de conservation de masse, de quantité de mouvement et l’équation constitutive de PTT écrites en coordonnées orthogonales généralisées. Les simulations faites pour des nombres de Dean allant de 50 à 500, montrent que le champ dynamique et en particulier la vitesse axiale sont influencés par le nombre de Dean. L’étude met en évidence l’influence, d’une part, des effets de l’inertie et des forces centrifuges et d’autres part, les paramètres géométriques, sur la structure des vortex de Dean et les conditions d’apparition de vortex additionnels. La présente étude montre également qu’aux nombres de Dean relativement faibles, l’élasticité anticipe la formation des vortex additionnels dans l’écoulement ».

De source collective (Bakhtiyor Khuzhayorov, Jean-Louis Auriault, Pascale Royer), et au titre « Ecoulement transitoire d’un fluide viscoélastique linéaire en milieu poreux », les quatrièmes Journées d’Etude sur les Milieux Poreux, Juin 1999, Nancy, France. « Dans le cadre de cette thèse, nous nous intéressons aux différents comportements de fluides structures (solutions aqueuses de polymères, suspensions), sous ´écoulements cisailles. Dans la première partie, nous donnons une description globale des objets constituant le matériau en utilisant une modélisation structurelle, d’une part et en effectuant des mesures de biréfringence pour qualifier l’anisotropie des objets, d’autre part. A travers la loi tentio-optique, nous montrons que le comportement des objets ne dépend que de la contrainte appliquée. En outre, nous ´étudions les conditions de mesures objectives pour mener une caractérisation rigoureuse, en comparant des mesures de fluage et d’oscillations et en utilisant une approche analytique. Ce qui va permettre de d´développer une méthode d’identification des paramètres viscoélastiques et leurs ´évolutions sous cisaillement, dans le régime linéaire et non linéaire. La deuxième partie concerne les ´écoulements bidimensionnels de ces fluides dans une géométrie de cylindres coaxiaux centres et excentrés, à grand entrefer. Le dispositif expérimental est valide par des mesures sur un fluide newtonien. L’objectif est d’´étudier le comportement local de différents fluides en utilisant la technique de la PIV. Pour cela, nous réalisons un dispositif expérimental fiable et suffisamment précis pour accéder aux champs de vitesse instantané dans tous l’entrefer. Les mesures nous permettent d’accéder `a la loi de comportement locale de chaque matériau que nous comparons avec la loi de comportement « globale » donnée par le rhéomètre dans le cas de la géométrie centrée. De plus, des simulations numériques sur Fluent, ont été effectuées pour compléter notre étude. Les résultats obtenus pour des ´écoulements laminaires, de différents fluides : newtonien, peu rhéofluidifiant, t’es rhéofluidifiant, montrent qu’il est possible de d´écrire et prédire le comportement des fluides newtoniens et faiblement rhéofluidifiants mais les modèles classiques existants dans Fluent ne sont pas capables de décrire le comportement des fluides t’es rhéofluidifiant qui présentent une très forte hétérogénéité des gradients de vitesse dans l’entrefer. »

Enfin dans « Initiation à la rhéologie » Groupe MECAFLU-GTE-2A sur l’ENT/ IUT Génie Thermique et Energie - Année 2012-2013 , Sébastien PONCET indique que: « L’objet de cet article est d’étudier l’écoulement très lent d’un fluide viscoplastique de Bingham autour d’un cylindre en milieu infini. Le domaine des grands nombres d’Oldroyd est particulièrement examiné. La simulation numérique par éléments finis est utilisée avec le modèle de régularisation de Papanastasiou. Aux grands nombres d’Oldroyd, lorsque les effets de plasticité deviennent prépondérants, une couche limite viscoplastique est identifiée autour du cylindre. L’épaisseur minimale de cette couche limite est déterminée et varie en fonction du nombre d’Oldroyd selon une loi puissance. Les différentes zones rigides sont identifiées et caractérisées et le coefficient de traînée calculé en fonction du nombre d’Oldroyd. Les résultats obtenus sont comparés aux résultats théoriques existants notamment aux prédictions de la théorie de la couche limite viscoplastique et de la théorie de la plasticité. »

En Synthèse de l’état des connaissances :
Relativement à l’état de la technique, il n’existait pas (avant le démarrage de nos travaux) de dispositif qui soit à même de répondre à l’objet de notre étude. Les dispositifs existants sont contraints en ce que :
La première famille technologique des dispositifs de pinceau réservoir présente les inconvénients suivants : soit que les dispositifs utilisés ne conviennent que pour des écoulements de fluides newtonien, dans ce cas les fluides s’écoulent comme de l’eau sans variation si ce n’est la température qui est négligée dans notre étude du fait que les usages des pinceaux sont à températures ambiante.
Dans le cas des fluides de Bingham ou fluide à seuil, celui-ci se comporte comme un fluide Newtonien avec une mise en mouvement devant être réaliser pour « activer » l’écoulement. - soit que les pinceaux réservoir sont dotés d’un dispositif d’agitation jusque dans la touffe de poils ce qui permet dans le cas des fluides dépendant du temps de mise sous contrainte d’avoir un maintien de cette dernière pour réaliser l’écoulement dans la touffe. Ceci ne convient pas à l’objet de notre objet car les vibrations auraient un effet contraire à ce qui est recherché, l’agitation maintenu bloquerait l’écoulement du fluide puisque sa viscosité serait augmentée.
- La deuxième famille technologique des dispositifs d’applicateurs rigides ne conviennent pas pour la diffusion d’un fluide rhéoépaississant. Ces dispositifs sont utilisés pour des fluides Newtonien peu visqueux. Si l’on place des fluides rhéoépaississant dans un dispositif type Roll-On, il se produit un colmatage dès lors que la partie à l’intérieur du tube est mise en mouvement, si bien qu’une dépose continue n’est pas possible. Ceci est dû à ce que le fluide qui se diffuse entre les partie mobiles et fixes des billes ou des rouleaux génère un flux qui met en mouvement le volume de médium proche de l’extraction. Ceci provoque un phénomène de durcissement des molécules proches qui transmettent elles-mêmes le mouvement à d’autre. Il s’ensuit une discontinuité de la dépose et même un arrêt total selon les caractéristiques du fluide. Ces dispositifs sont limités quant à leur usage car les surface d’application doivent être convexes et ne convienne pas pour des applications sur des formes concaves. La dépose du médium est rendue aléatoire par la forme même du dispositif rigide qui limite l’accessibilité des surfaces complexes.
- La troisième famille technologique des dispositifs d’applicateur souples présente l’avantage de pouvoir déposer un médium sur des formes concaves, cependant un inconvénient existe par le fait que ces dispositifs sont en matériaux absorbant (principalement en mousse) ce qui capte le médium et le maintien dans les alvéoles de l’applicateur lorsqu’on tente de l’appliquer. Les mousses vont s’imprégner de médium liquide qui va se « durcir » sous la contrainte de la dépose, ce qui est l’effet inverse de ce qui est souhaité tandis qu’apprès un temps de relaxation, le médium va reprendre une viscosité moindre et s’écouler ce qui va générer des coulures indésirées.

Relativement à l’état de la science, il n’est pas possible de déterminer directement un procédé et un dispositif tel que souhaité pour l’objet d’étude. En effet, les connaissances scientifiques sont contraintes en ce que :
- Les comportements rhéologiques des fluides viscoplastiques rhéoépaississant n’est pas déterminé pour le changement de géométrie de l’écoulement passant du réservoir rigide à la touffe de poils car les faisceaux de poils sont de différentes nature (synthétiques ou naturels), et différentes dimensions. On sait qu’une caractéristique de ce type de médium est qu’il se dilate lors qu’il s’écoule d’un orifice. L’état de la science n’indique pas comment est réalisé l’écoulement du fluide lorsqu’il va être en contact avec le faisceau de poils en sortie du réservoir. Les caractéristiques rhéologiques et les viscosités ne sont pas calculables pour le passage dans des touffes de poils de différentes natures.
- Les principes mécaniques de l’écoulement du fluide au travers de la touffe de poils car les mouvements du fluide influent sur la forme de la touffe par effet de dilatance.

Par ailleurs, il existe un antagonisme en ce que, d’une part le médium doit être dans une phase de viscosité faible pour s’écouler, d’autre part celui-ci voit sa viscosité augmenter puisqu’il est sollicité pour être déposé sur le support. La précision sur la quantité de médium déposé ne peut pas être déterminé car ce dernier continu de s’écouler après l’arrêt des sollicitations de dépose ce qui peut apporter une quantité supplémentaire et non désirée de médium sur le support. Une fois le médium déposé, lorsqu’on relève le pinceau du support, les contraintes se relâchent, ce qui a pour effet de laisser couler le volume de médium encore présent dans le faisceau de poils.

Il est donc admis que l’état des connaissances actuelles ne permet pas de répondre à notre objet de caractériser une technologie appropriée à une pinceau doté d’un réservoir rigide pour contenir des médiums de types fluides viscoélastiques rhéoépaississants. Pour solutionner le problème posé, plusieurs verrous technologiques étaient à lever :
- Des premiers pour comprendre les principes d’écoulement de médium dilatants au travers de touffes de poils de différentes natures (naturelles, synthétiques). Nos travaux nous ont permis de savoir que le retour à l’écoulement libre se fait de manière plus rapide dans les poils synthétiques que dans les poils naturels (dans une proportion de 5 fois plus vite) quel que soit le type de médium. L’augmentation de la fréquence de sollicitation fait augmenter le ralentissement à l’écoulement pour toutes les concentrations du médium. Concernant le retour à l’écoulement libre après arrêt des sollicitations, Il n’y a pas de différence notable entre les différents types de poils, les valeurs restent dans une même proportion pour les différents médiums et quelque soient les différentes sollicitations initiales. Un dispositif de régulation de l’écoulement pouvait donc être constitué à la base du réservoir pour adapter les écoulements aux différentes viscosités.
- Des seconds pour déterminer le comportement fluide et connaitre les résultats de dépose pour des natures et des dimensions différentes de touffes constituées. Nos travaux ont pu démontrer qu’un écoulement de fluides était possible avec les faisceaux de poils synthétique. Nous avons observé que les médiums en soie de porcs étaient bloquants du fait de la texture du medium l’élargissement est amplifié par l’aspect de surface du poil qui « retiens » le médium.
- un troisième pour connaitre la précision de dépose et comment limiter l’écoulement résiduel dans le cas de l’arrêt de la sollicitation de dépose du médium sur le support .IL nous fallait connaitre les paramètres d’une limitation des effets d’écoulement après arrêt de l’application de la touffe sur le support.
Le présent dispositif apporte une réponse à ces questions.

Présentation de l’invention : L’invention est relative à un dispositif de virole (c) pour pinceau contenant un réservoir, virole disposée à contenir des médiums de types fluides viscoélastiques rhéoépaississants, placée entre un manche de pinceau (a) doté d’un corps rigide faisant office de réservoir (a’), et des faisceaux de poils (b) (dits aussi « touffe de poils »).

La virole disposée à contenir des médiums de types fluides viscoélastiques rhéoépaississants se caractérise en ce qu’elle est constituée en son sein de :
- un clapet (d) actionné par la gravité qui agit en obturant l’ouverture (e) constituée entre le réservoir (a’) et la touffe de poils (b),
- une grille (f) située immédiatement sous le clapet dans la virole, qui dispose d’un nombre de trous (g) pour le passage du médium, ces trous limitant les écoulements des médium strop fluidifiants.

La virole (c) dispose d’un fonctionnement cinématique particulier, consistant en une obturation du passage du médium entre le réservoir(a’) et la touffe de poils (b) par l’intermédiaire du clapet (d) qui se déplace par gravité et obstrue ou libère le passage vers la grille (f) dans les trous de la grille (g).

Le nombre et la dimension des trous dans la grille sont choisis selon les dimensions et les natures des touffes de poils (b), ainsi que par les comportements rhéologiques des fluides rhéoépaississants rencontrés.

Vue en éclaté de l’intérieur du pinceau en présence du manche (a), de corps de manche faisant office de réservoir (a’), de la virole (c), du faisceau de poils (b), de l’ouverture (e),

Vue détaillée de la virole (c) contenant le système de régulation : clapet (d) et la grille (f) et des trous (g) qu’elle comporte

Glossaire :
a) manche de pinceau
a’) corps rigide du manche de pinceau faisant office de réservoir
b) faisceaux de poils, dit aussi touffe de poils
c) virole
d) clapet
e) ouverture constituée entre l’office du réservoir et la touffe de poils
f) grille
g) trous de la grille

Claims (1)

1. Dispositif de virole (c) pour pinceau contenant un réservoir, virole disposée à contenir des médiums de types fluides viscoélastiques rhéoépaississants, se caractérisant en ce qu’elle est constituée en son sein de :
   - un clapet (d) actionné par la gravité qui agit en obturant l’ouverture (e) constituée entre le réservoir (a’) et une touffe de poils (b),
   - une grille (f) située immédiatement sous le clapet dans la virole, qui dispose d’un nombre de trous (g) pour le passage du médium.