Le principal défi du maintien de la stabilité d'un matériau en dispersion à fort cisaillement réside dans l'interaction entre son mécanisme d'action physique et ses propriétés. Ceci se manifeste concrètement comme suit :
1. Modifications de l'énergie de surface des particules causées par des contraintes mécaniques
Lors d'une dispersion à fort cisaillement, les particules subissent un fort cisaillement, un impact et une extrusion centrifuge dans l'espace stator-rotor, augmentant ainsi leur énergie de surface. Les agglomérats peuvent se briser rapidement, mais les particules à haute énergie de surface sont sujettes à la réadsorption par les forces de van der Waals, ce qui entraîne une agglomération secondaire. Par exemple, le carbonate de calcium nano dispersé dans la matrice PEHD se disperse initialement bien, mais une activité de surface accrue provoque une agglomération pendant le stockage.
2. Effets thermiques conduisant à une défaillance du dispersant ou à un changement de phase
La chaleur générée par le frottement lors du processus à fort cisaillement peut dépasser 50 °C, notamment avec un faible entrefer stator-rotor. Les températures élevées peuvent détruire la couche d'adsorption des molécules dispersantes. Par exemple, les dispersants polyester peuvent se désorber ou se dégrader sous l'effet de la chaleur, perdant ainsi leur effet stabilisant. De plus, les matériaux thermosensibles, tels que les polymères de haut poids moléculaire, peuvent se réticuler ou se décomposer, modifiant ainsi les propriétés rhéologiques du système.
3. Répartition inégale des dispersants et destruction de l'équilibre dynamique
Une agitation à grande vitesse peut entraîner une distribution inégale du dispersant. Les dispersants de haut poids moléculaire peuvent perdre leur effet stabilisant en raison de la rupture de chaîne sous cisaillement. Une concentration excessive peut entraîner un « effet de pontage », favorisant la floculation. Une fois l'équipement arrêté, l'équilibre dynamique induit par le cisaillement est rompu, provoquant la migration et l'agrégation des particules par mouvement brownien.
4. Modifications irréversibles de la morphologie des particules et des propriétés de l'interface
Un cisaillement élevé peut endommager les particules, augmentant la rugosité de la surface ou altérant la morphologie des cristaux. Par exemple, les pigments de talc broyés par un cisaillement élevé développent des fissures sur leurs bords, augmentant leur surface et accélérant l'adsorption des impuretés. Les milieux de dispersion à base d'huile de silicone perdent également leur viscoélasticité après plusieurs cisaillements, réduisant ainsi leur capacité à envelopper les particules.
5. Limites des paramètres du procédé et de la conception de l'équipement
L'entrefer stator-rotor, la vitesse de rotation et le temps de cisaillement affectent directement la dispersion. Si l'entrefer est trop faible ou la vitesse trop élevée, les particules peuvent être affinées rapidement. Cependant, le taux de cisaillement peut dépasser la valeur critique, augmentant ainsi le risque de collision des particules dans la zone turbulente. Par exemple, lorsque les mélanges polypropylène/polystyrène dépassent 720 tr/min, un cisaillement excessif affaiblit la résistance de l'interface, réduisant ainsi la résistance aux chocs.
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