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Zaragoza, 24.2.2006

• Reología• Reometría - Tipos de viscosímetros

Roberto SteinbrüggenInstrumentos Físicos Ibérica, S.L. Tel: 93 446 36 59 Fax: 93 446 36 60 08041 Barcelona

Reología de líquidos y semisólidos.Reología de líquidos y semisólidos.

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¿Qué es la Reología?¿Qué es la Reología?ØLa Reología estudia el fluir de los líquidos y la deformación de los sólidos sometidos a esfuerzos.

La Reología intenta relacionar los esfuerzos con:Ø DeformacionesØ Velocidades de deformaciónØ TiempoØ TemperaturaØ Presión

Deformación

Esfuerzo

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IntroducciónIntroducciónØ Definiciones de Reología :

• Rheos: procedente del griego, significa fluir.• Heráclito : panta rei (todo fluye con el tiempo

necesario).Ø “Ciencia del flujo”Ø “Ciencia que estudia la respuesta interna de los

materiales a las fuerzas externas que se aplican.”Ø “Ciencia que estudia el flujo y deformación de la

materia y describe la interrelación entre fuerza, tiempo y deformación.”

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Historia 1Historia 1Ø 1678, Robert Hooke desarrolló la “teoría de la elasticidad”: la

deformación es proporcional a la tensión. El sólido recupera su forma original reversiblemente.

Ø 1687, Newton definía el líquido viscoso (luego llamado newtoniano), enunciando que la resistencia que se produce como consecuencia de la falta de deslizamiento entre las partes de un líquido, es proporcional a la velocidad con la cual dichas partes se separan las unas de las otras. Es decir, la energía suministrada al sistema se disipa en forma de calor, no recuperando ni siquiera parcialmente su forma original.

Al duplicar la tensión se duplica el gradiente de velocidad ( )Nace el término Viscosidad (η), Fricción internaØ 1835, Weber realizando experimentos con fibras de seda comprendió la

existencia de un comportamiento intermedio que no podía ser descrito ni por la ley de Hooke, ni por las definiciones de Newton.

•γ

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Historia 2Historia 2Ø 1867, Maxwell propuso un modelo matemático capaz de

describir el comportamiento de fluidos con propiedades elásticas.

Ø Se utiliza el término de “viscoelasticidad” para describir los comportamientos entre los extremos de Hooke y Newton.

Ø Clasificación de comportamiento reológico: un material determinado se comportará como un líquido o un sólido dependiendo del tiempo de duración de los procesos de deformación. (Número de Débora)

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DeformacionDeformacion / Flujo/ FlujoØ Los sólidos se deforman bajo el efecto de un esfuerzo

tangencial. Los líquidos fluyen.

Esfuerzo = fuerza / superficie τ = σ = F / A

σ , esfuerzo de cizalla (tensión de cizalla ) N/m2 = Pascal (Pa)

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Como se define la Como se define la viscosidadviscosidad ??La viscosidad se puede determinar indirectamente mediante:

Shear Stress Shear Rate τ =FA

γ =dvdy

ητγ

=ητγ

= •

•

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Condiciones de contornoCondiciones de contorno

Ø Flujo laminarØ Corriente estacionariaØ Adherencia a las paredesØ HomogeneidadØ Ausencia de variaciones físicas o químicasØ No se presenta elasticidad

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La viscosidad depende de:La viscosidad depende de:

ØS : Constitución Físico-Química de la sustancia a medir ØT : TemperaturaØP : PresiónØGP: Gradiente de velocidadØt : tiempoØV : Campo eléctricoØ : Campo magnético

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Aplicaciones de la reometríaAplicaciones de la reometría

ØFormulación de producto ØCalidad / Control de ProcesoØIngeniería / Aplicaciones de Procesos

• diseño de tuberías, pipeline (o toberas)• mezclado de líquidos, pastas y fundidos• procesos Roller (coating, no-coating)ØPercepción del consumidor

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Ejemplos de aplicaciones reológicasEjemplos de aplicaciones reológicasØ Predicción de la estabilidad a largo termino de suspensiones / dispersionesØ Descolgado / nivelado de pinturas, coatings y tintasØ Procesabilidad de polímerosØ Tiempo de inyección de polímeros térmicamente inestablesØ Grado de dispersión en suspensiones y compuestosØ Optimización de parámetros calor y cizalla

para procesado de polímerosØ Diseño de bombas / tuberías para líquidos no-newtonianosØ Control de propiedades de texturaØ Diseño de boquillas para polímerosØ Grado de caída de un adhesivoØ Control de flujo durante impresión por serigrafía

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Clasificación de los materialesClasificación de los materiales

ØEn función de la cizalla impuesta:•Líquidos Newtonianos•Líquidos No Newtonianos

• Líquidos con viscosidad estructural (pseudoplásticos)• Líquidos con viscosidad estructural y límite de fluidez

(plásticos)• Líquidos dilatantes

ØEn función del tiempo•Líquidos Tixotrópicos•Líquidos reopécticosØEn función de la temperatura

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TestsTests reológicos típicosreológicos típicosViscosidad ( η ) [cizalla estacionaria]:Ø Velocidad fija (velocidad de cizalla) frente al tiempoØ Barrido de velocidades de cizalla (rampa o saltos)

Reogramas y loops tixotrópicosØ Barridos de esfuerzo ( No adecuado para tixotropía)

Mediciones de Visco-elasticidad :Ø Cizalla Oscilatoria (G', G", η *,?δ, G*)

Ø Ensayo de Creep / recovery (J*, Je0, η0)Ø Relajación de Stress

Aplicación repentina de esfuerzo (γ)Ø Stress decay

Cese de cizalla estacionaria

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Tipos de viscosímetrosTipos de viscosímetros

Ø Viscosímetros capilares de vidrioØ Copas de vertidoØ Viscosímetros especialesØ Viscosímetros rotacionales relativos Ø Viscosímetros rotacionales absolutosØ Reómetros

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Viscosímetros capilares de vidrioViscosímetros capilares de vidrio

Ø Geometría adecuada,buena relación L/D

Ø Elevada precisiónØ Tiempos de medición

largosØ Solo para líquidos

newtonianos y transparentes

Ø Precio razonableØ Error de operadorØ Automatizable (caro)

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Copas de vertidoCopas de vertido

Ø Geometría no adecuada,mala relación L/D

Ø Atemperación difícilØ Solo para líquidos

newtonianosØ EconómicasØ Resultado en

“segundos”, difícil de correlacionar

88

502,5

30

19

8

69

8

16

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Viscosímetro de caída de bolaViscosímetro de caída de bola

Ø Geometría adecuada, buena relación L/D

Ø Atemperación fácilØ Solo para líquidos

newtonianos transparentes

Ø Fácil de manejarØ No automatizableØ Muy exactoØ Muy bueno para

viscosidades bajas

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Viscosímetros especialesViscosímetros especiales

Ø Geometría “a medida”

Ø EspecíficosØ Solo para mediciones

comparativasØ Precio variableØ Ej:

LarayBostwick

Placas de vidrio

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Viscosímetros rotacionales relativosViscosímetros rotacionales relativos

Ø Geometría no adecuada

Ø Solo para líquidos newtonianos (hay spindels absolutos en casos especiales)

Ø Precio razonableØ Normalizado.

Se ha convertido en un método estándar

Ø Atemperación difícil

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Viscosímetros rotacionales absolutosViscosímetros rotacionales absolutos

Ø Geometría absoluta

• Cilindros• Cono-placa• Placa-placa

Ø Posibilidad de medir curvas de fluidez

Ø Para todo tipo de líquidos y pastas

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ReómetrosReómetros

Ø Caracterización reológica completa

Ø Medición de la elasticidad

Ø Medición de límite de fluidez

Ø Habitualmente con cojinete de aire: sin rozamiento interno

Ø CS / CR

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Clasificación reómetrosClasificación reómetros

Ø CS (Control Stress)Siempre es mejor utilizar un reómetro CS para evaluar procesos controlados por stress

Ø CR (Control Rate) Siempre es mejor utilizar un reómetro CR para evaluar procesos controlados por la velocidad de cizalla .

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ResultadoReómetro con microscopioReómetro con microscopio

RheoScope 1

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curva de viscosidad

Ejemplo:

Emulsion

(salsa de

ensalada)

Reómetro con microscopioReómetro con microscopio

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Reómetro Reómetro elongacionalelongacional

Capillary Breakup Extensional Rheometer

Muchos métodos de procesado industriales, como extrusión inyección o llenado, someten al material a un flujo extensional

La mayoría de los materiales ofrecen una respuesta muy diferente en flujo extensional comparada con su respuesta en flujo de cizalla.

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Reómetro Reómetro elongacionalelongacionalEl estrechamiento y posterior rotura de filamentos formados a consecuencia de una extensión ofrece una valiosa información acerca de las propiedades físicas del material.Este análisis ofrece una determinación rápida de los siguientes parámetros:

Viscosidad Tensión superficial Elasticidad Limite de fluidez

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F A÷ = τ

Procesos controlados por stressProcesos controlados por stress

Son condiciones de flujo habitualmente generadas por las fuerzasde gravitación (Fg) y no sucederían si no hay fuerzas gravitacionales.Ejemplo: Sedimentación de partículas de una suspensión

Una partícula en suspensión (o algo similar) cae debido a que su masa estáafectada por la gravedad. Si se tiene una muestra que precipita durante el almacenaje, no precipitaría en el espacio en ausencia de gravedad.

Fg / Área de la muestra = Esfuerzo

Lo mismo es también cierto para otros efectos guiados por la gravedad como el descolgamiento y goteo en pinturas.

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Procesos controlados por la Procesos controlados por la velocidad de cizallavelocidad de cizalla

Hay condiciones de flujo que están impuestas por medios externos, como bombas, mezcladoras, etc.Ejemplo: Bombear un líquido por una tubería.

La reología ( τ , Á , o la pérdida de presión) serian las mismas tanto si el flujo tiene lugar en una refinería o en la luna.El efecto de la fuerza impulsora (la bomba) es mucho mayor que cualquier efecto que pueda impartir la gravedad.Lo mismo también es cierto para cualquier proceso de mezclado o pulverización.

γ.

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Sistemas de mediciónSistemas de mediciónSensores cilíndricos- líquidos de baja viscosidad(gran superficie del rotor)

- sistemas con cargas (ranura amplia)

Placa-Placa- mediciones dinámicas( oscilación )

- materiales no homogéneos(partículas, fibras)

Cono - Placa-substancias de viscosidadmedia

- fácil de limpiar- sin partículas- altas velocidades de cizalla

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Medición de curva de fluidezMedición de curva de fluidez

Flow Curve:

tiempo

--- Rampa

_| Stepspuede ser dada por:

- rpm

- velocidad lineal

- velocidad de flujo

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Medición dinámica (Oscilación)Medición dinámica (Oscilación)

Ø G’ (módulo de almacenamiento ) y G” (módulo de pérdidas );η∗ (viscosidad compleja) y δ’ (ángulo de pérdidas ) calculados comofunción de la frecuencia ( velocidad de cizalla) y/o temperatura / tiempo

Ø Se cuantifican las componentes viscosa y elástica

G’

G”

η∗

Log G’

Log Deformación

Log

Log Frecuencia( rad / sec )

Zona Visco-elástica Lineal

η0

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Creep / RecuperaciónCreep / Recuperación

Ø Compliance ( Â / τ ) - Cuanto mayor la compliance, más fácil de deformar

Ø Si Creep Compl. ( Js (0)) = Recuperable Compl. ( Je ) , entonces el test

está en la zona lineal ( No-destructivo)

Ø Puede medirse la viscosidad a cizalla cero (Zero - shear η )Ø Pueden cuantificarse las componentes viscosa y elástica

Ø η0 Peso molecular y Je M.W.D. (Distribución pesos m.)

Tiempo

Deformaciónγ Compliance

J1/ η Je

E&VVDEF.

Js (0)

γ.

γ.

t0t0

τ0

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Comportamiento Comportamiento Shear ThinningShear Thinning

viscosidad

esfuerzo

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Comportamiento de Comportamiento de BinghamBingham/Plástico/Plástico

esfuerzo

viscosidad

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TixotropíaTixotropía

esfuerzo

viscosidad

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¿¿CCóómomo determinar la determinar la viscoelasticidadviscoelasticidad??

τ=0(change of direction)

τ=0(change of direction)

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Flujo y aplicaciónFlujo y aplicación

Ø Comportamiento durante la aplicación (velocidades de cizalla altas )pintado, spraying, rubbing

Ø Propiedades de transporte (vel. de c. medias a altas)bombeado, agitado, embotellado

Ø Comportamiento después de la aplicación (velocidades de cizalla bajas) untado, nivelado

Ø Propiedades de almacenado (vel. de cizalla muy bajas) sedimentación, separación de fases

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¿¿CCóómomo cuantificar el untado?cuantificar el untado?

Input :Vel de cizallavariable

Medición:esfuerzo

Resultado :viscosidad

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¿¿CCóómomo determinar el determinar el llíímitemite de fluidez?de fluidez?

Ø modo-CD: máximo de la curva τ -tiempo

Ø curva de fluidez: lectura de τ a bajas Á en lacurva de fluidez

Ø Rampa -CS: cambio de la pendiente de la curva log γ frente a log τ

Ø Creep: pendiente de la curva d γ /d t >0

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¿¿Cual es la información Cual es la información relevante del límite de relevante del límite de fluidezfluidez??

Ø Esfuerzo necesario para inicializar flujo estacionario = información acerca del comportamiento al inicio del bombeo

esfuerzo

viscosidad

Dos cremas diferentes

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¿¿CCóómomo se comporta un se comporta un gelgelfarmacéutico?farmacéutico?

Input :Frecuencia

Medición:deformación

Resultado :Comportamiento viscoelástico

G”

G’

viscosidad