Abordar la reología

La reología se define en el diccionario Webster como el estudio de los cambios en la forma y el flujo de la materia, incluida la elasticidad, la viscosidad y la plasticidad. En este capítulo nos centraremos en la viscosidad, definida como "la fricción interna de un fluido, causada por la atracción molecular, y que le da una tendencia a resistir el flujo". Su viscosímetro Brookfield mide esta fricción y, por lo tanto, funciona como un instrumento de reología. El objetivo de este capítulo es educarlo sobre los diferentes tipos de comportamiento de flujo y utilizar su viscosímetro Brookfield como un verdadero instrumento de reología que le permite realizar análisis detallados de prácticamente cualquier tipo de fluido. Esta sección es de interés para cualquier usuario de viscosímetro, en particular para aquellos que son seguidores de las escuelas de pensamiento teóricas y académicas con respecto a las mediciones de viscosidad.

Viscosidad

La viscosidad es la medida de la fricción interna de un fluido. Esta fricción ocurre cuando una capa de fluido se pone en movimiento con respecto a otra capa. Cuanto mayor sea la fricción, mayor será la cantidad de energía necesaria para generar el movimiento que se denomina aquí cizallamiento. El cizallamiento ocurre cuando el fluido se mueve físicamente, como cuando se vierte, aplica, rocía, mezcla, etc. Los fluidos muy viscosos requieren más energía para moverse que los fluidos menos viscosos

Isaac Newton define la viscosidad considerando el diagrama que se muestra en la Figura 4-1. Dos planos paralelos de fluido de igual área A están separados por dx y se mueven en la misma dirección pero a diferentes velocidades v1 y v2. Newton afirma que la fuerza necesaria para mantener esta diferencia de velocidad es proporcional a la diferencia de velocidad a través del líquido, o gradiente de velocidad. Para expresar esto, Newton escribe:

o es una característica constante de un producto dado llamada viscosidad.

El gradiente de velocidad es la medida del cambio en la velocidad a la que las capas intermedias se mueven una frente a la otra. Representa el cizallamiento que sufre el líquido y, por lo tanto, se denomina velocidad de cizallamiento. En adelante lo representaremos con la letra S. Su unidad de medida es la segunda potencia –1 (sec-1). El término F / A representa la fuerza requerida por unidad de área para producir la acción de corte. Se llama esfuerzo cortante y está representado por F '. Su unidad de medida es dinas por centímetro cuadrado (dinas / cm2), o N / m2 o Pa. Usando estos términos simplificados, la viscosidad se puede definir mediante la siguiente fórmula matemática

La unidad de medida de la viscosidad es el equilibrio. Un producto que requiere una fuerza de 1 dina por centímetro cuadrado para producir una velocidad de corte de 1 s-1 tiene una viscosidad de 1 Poise o 100 centipoise. También encontrará mediciones de viscosidad expresadas en Pascal-segundos (Pa.s) o miliPascal-segundos (mPa.s). Estas son las unidades del sistema internacional y, a veces, se prefieren al sistema CGS. Un Pascal-segundo equivale a 10 Poises. Un miliPascal-segundo es igual a 1 centipoise. Newton considera que cualquier material tiene, a una temperatura dada, una viscosidad que es independiente de la velocidad de corte. Para él, el doble de la fuerza aplicada hará que el desplazamiento sea el doble de rápido. Como veremos, Newton solo tenía razón en parte.

Fluidos newtonianos

Este tipo de comportamiento de flujo que Newton consideró aplicable a todos los fluidos se llama, como era de esperar, comportamiento newtoniano. Sin embargo, este es solo un caso entre varios otros comportamientos de flujo que puede encontrar. Un fluido newtoniano se representa gráficamente en la figura 4-2. El gráfico A muestra que la relación entre el esfuerzo cortante (F ') y la velocidad de corte (S) es una línea recta. El gráfico B muestra que la viscosidad del fluido permanece constante independientemente de la velocidad de corte. Los fluidos newtonianos típicos son, por ejemplo, agua y aceites de motor.

Esto significa en la práctica que, para una temperatura dada, la viscosidad de un fluido newtoniano permanece constante independientemente del modelo de viscosímetro, el tipo de cuerpo en movimiento y la velocidad utilizada para medirlo. Los aceites estándar de Brookfield son newtonianos en el rango de corte generado por el equipo Brookfield. Por eso se pueden utilizar con todos nuestros modelos de viscosímetros (excepto con los modelos CAP 1000 y CAP2000). Los fluidos newtonianos son posiblemente los fluidos más fáciles de medir. Simplemente tome su viscosímetro y mida ... Desafortunadamente, no son tan frecuentes como los fluidos en el grupo no newtoniano más complejo

Fluidos no newtonianos

Un fluido no newtoniano se define globalmente como un fluido cuya relación F '/ S no es constante. En otras palabras, cuando el tiempo de corte varía, el esfuerzo de corte no varía en las mismas proporciones (y no necesariamente en la misma dirección). Por tanto, la viscosidad de tales productos cambia cuando varía el cizallamiento. Por lo tanto, los parámetros experimentales como el modelo de viscosímetro, el móvil y la velocidad tienen un efecto sobre la medición de la viscosidad de un producto no newtoniano. La viscosidad medida se denomina viscosidad aparente y esta medición solo se puede utilizar si se proporcionan los parámetros experimentales de la medición. Los flujos no newtonianos se pueden visualizar pensando en fluidos formados por una mezcla de moléculas de diferentes tamaños y formas. Cuando pasan cerca unos de otros, como lo hacen durante un flujo, sus tamaños, formas y poderes de cohesión determinarán cuánta fuerza se requerirá para moverlos. A cada velocidad de corte específica, las alineaciones pueden ser diferentes y se requerirá más o menos fuerza para mantener el movimiento. Hay varios tipos de comportamiento de flujo para fluidos no newtonianos. Los tipos más comunes con los que te encontrarás son:

Reofluidificador:

Este tipo de fluido presenta una disminución de la viscosidad a medida que aumenta la velocidad de corte, como se muestra en la Figura 4-3. Probablemente el más común de los fluidos no newtonianos, los diluyentes de cizallamiento incluyen pinturas, emulsiones y dispersiones de todo tipo. Este tipo de comportamiento de flujo a veces se denomina "adelgazamiento por cizallamiento".

Espesante reo:

El aumento de la viscosidad al aumentar la velocidad de cizallamiento es característico de este tipo de fluido. Aunque es más raro que el flujo de cizallamiento, el comportamiento de espesamiento de cizallamiento se observa con frecuencia en fluidos que contienen un alto nivel de sólidos desfloculados, como arcillas, almidones de maíz mezclados en agua y mezcla de agua / arena. El comportamiento de dilatación también se denomina "engrosamiento por cizallamiento".

Pseudoplástico

Este tipo de fluido se comporta como un sólido cuando está en reposo. Se debe aplicar cierta fuerza a este fluido para que se mueva. Esta fuerza se llama "punto de fluencia". El ketchup es un buen ejemplo de este tipo de producto. Su límite de rendimiento evita que fluya fuera de la botella a menos que se agite la botella, lo que luego libera el flujo. Cuando se excede el límite de fluencia, el fluido puede presentar un flujo newtoniano, adelgazante o espesante por corte.

Hasta ahora, solo hemos discutido la influencia de la cizalladura en el comportamiento del flujo de fluidos no newtonianos. ¿Qué sucede cuando hay que considerar el tiempo? Esta pregunta nos lleva a examinar dos nuevos tipos de flujo no newtoniano: tixotropía y antitixotropía.

Tixotropía y antitixotropía

Algunos fluidos muestran un cambio de viscosidad con el tiempo bajo condiciones de cizallamiento constante. Hay dos categorías a considerar:

Tixotropía:

Como se muestra en la siguiente figura, los fluidos tixotrópicos muestran una disminución de la viscosidad con el tiempo bajo cizallamiento constante.

Anti-tixotropía

Esto es lo opuesto al comportamiento tixotrópico, la viscosidad del fluido aumenta con el tiempo bajo cizallamiento constante.

La tixotropía y la antitixotropía pueden existir en combinación con todos los otros comportamientos discutidos anteriormente o solo en ciertos niveles de cizallamiento. El elemento de tiempo es extremadamente variable. Bajo cizallamiento constante, algunos fluidos alcanzarán su viscosidad final en unos pocos segundos, mientras que para otros, la estabilización puede llevar varios días. Los líquidos anti-tixotrópicos son raros. La tixotropía se observa con frecuencia en materiales como grasas, tintas de impresión y pinturas. Cuando se somete a un cizallamiento variable, el fluido tixotrópico reacciona como se muestra en la Figura 4-8. Se produjo una curva de esfuerzo cortante / velocidad cortante aumentando el cortante a un cierto valor y luego disminuyéndolo hasta su punto de partida. Tenga en cuenta que la curva de ascenso y la curva de descenso no coinciden. Esta curva de histéresis se debe a la caída de la viscosidad del fluido con el tiempo. Estos efectos pueden ser reversibles o irreversibles. Algunos fluidos, si se dejan reposar por un tiempo, volverán a su viscosidad original, mientras que otros nunca regresarán.

El comportamiento reológico de un fluido obviamente puede tener efectos importantes en las técnicas de medición de la viscosidad. En la sección 4.7 discutiremos algunos de estos efectos y cómo tratarlos. El Capítulo 5 presenta técnicas matemáticas avanzadas que se utilizan para analizar el comportamiento del flujo en una amplia variedad de condiciones. Sin embargo, primero discutiremos los efectos del flujo laminar y turbulento en las mediciones de viscosidad.

Flujo laminar y turbulento

La propia definición de viscosidad implica la existencia de lo que se denomina flujo laminar, es decir, el movimiento de una capa de fluido con respecto a otra sin transferencia de material de una a otra.

Dependiendo de varios factores, existe una velocidad máxima de desplazamiento donde puede ocurrir la transferencia de material. Este fenómeno se llama turbulencia. Las moléculas o partículas más grandes saltan de una capa a otra y disipan una cantidad sustancial de energía en la maniobra. El resultado neto es que se requiere más energía para mantener el flujo turbulento a la misma velocidad que el flujo laminar.

El aumento de energía requerido se manifiesta por un esfuerzo cortante aparentemente mayor que el observado bajo flujo laminar a la misma velocidad de corte. El resultado final es una lectura de viscosidad errónea porque es más importante.

La transformación de un flujo laminar en un flujo turbulento también depende de otros factores además de la velocidad de movimiento de las capas. La viscosidad del producto, su peso específico, la geometría del móvil utilizado y el tamaño del envase también influyen en el inicio del momento en que aparece la turbulencia.

Se debe tener cuidado para distinguir entre condiciones de flujo turbulento y comportamiento de flujo expansivo (ver sección 4.4). En general, las viscosidades de los materiales espesantes por cizallamiento aumentan constantemente a medida que aumenta el cizallamiento. La aparición de flujo turbulento se caracteriza por un aumento relativamente repentino y significativo de la viscosidad a partir de un cierto umbral de cizallamiento. El comportamiento de flujo de estos materiales por encima de este punto puede ser newtoniano o no newtoniano.

Debido a las velocidades de cizallamiento relativamente bajas a las que operan la mayoría de los viscosímetros Brookfield, es poco probable que encuentre flujos turbulentos a menos que mida viscosidades inferiores a 15 cP con los viscosímetros de la serie LV y menos de 85 cP con los Otros modelos. Cuanto mayor sea la viscosidad del fluido, es menos probable que experimente turbulencia. Si se observan turbulencias al medir fluidos de baja viscosidad, a menudo se pueden eliminar utilizando el accesorio ULA.

¿Qué afecta las propiedades reológicas?

Los datos del viscosímetro a menudo se presentan como una "ventana" a través de la cual se pueden observar otras propiedades del material. La viscosidad se mide con mayor facilidad que la mayoría de las propiedades que la afectan, lo que la convierte en una herramienta interesante para la caracterización de materiales. Anteriormente en este capítulo, analizamos los diferentes tipos de comportamiento reológico y cómo identificarlos. Después de identificar el comportamiento reológico particular de su producto, puede preguntarse qué implica esta información con respecto a sus otras características. Esta sección, basada en información recopilada a lo largo de los años por nuestros clientes, tiene como objetivo hacerte pensar en los misterios que tu viscosímetro te ayudará a resolver.

Temperatura

Uno de los factores más obvios que pueden afectar el comportamiento reológico de un material es la temperatura. Algunos materiales son muy sensibles a la temperatura y una variación relativamente pequeña puede provocar un cambio significativo en la viscosidad. Otros productos no son muy sensibles a la temperatura. Tener en cuenta el efecto de la temperatura sobre la viscosidad es esencial en la evaluación de materiales que estarán sujetos a variaciones de temperatura durante la fabricación o durante el uso final (aceites de motor, grasas, adhesivos termofusibles, etc.)

Tasa de corte

Concretamente, los productos no newtonianos tienden a ser la regla más que la excepción. Por tanto, se hace necesaria una apreciación de los efectos de la velocidad de cizallamiento para cualquier persona involucrada en las aplicaciones prácticas de los datos reológicos. Por ejemplo, sería desastroso intentar bombear un espesador de cizalla a través de un sistema, solo para verlo "solidificarse" dentro de la bomba, interrumpiendo el proceso de producción total. Aunque este es un ejemplo extremo, no se debe subestimar la importancia que puede tener la velocidad de corte. Cuando el producto está sujeto a diferentes velocidades de cizallamiento durante la fabricación o durante el uso final, es esencial conocer su viscosidad en estas cizallas. Si no se conoce esta cizalla, se debe hacer una estimación. A continuación, las mediciones de viscosidad deben realizarse con cizallas lo más cercanas posible a los valores estimados. Muy a menudo no es posible medir la viscosidad de un producto a velocidades de cizallamiento de uso final porque estos valores caen fuera de los rangos de cizallamiento del viscosímetro. Entonces es necesario realizar mediciones a diferentes cizallas y extrapolar las mediciones al cizallamiento deseado. Este no es el método más preciso para obtener esta información, pero a menudo es la única alternativa disponible, especialmente cuando las velocidades de corte son muy altas. De hecho, siempre es aconsejable realizar mediciones de viscosidad a diferentes velocidades de cizallamiento para detectar comportamientos reológicos que podrían tener un efecto en el proceso de fabricación o en el método de uso final. Cuando se desconocen los valores de cizallamiento o si no son importantes, a menudo es suficiente una curva simple de viscosidad versus velocidad de rotación. Ejemplos de materiales que están sujetos y que se ven afectados por grandes variaciones de cizallamiento durante la fabricación o el uso final son: pinturas, cosméticos, látex líquido, revestimientos, ciertos productos alimenticios y sangre en el sistema circulatorio humano. . La siguiente tabla muestra ejemplos típicos de varias velocidades de corte.

Condiciones de medida

El estado del producto puede tener un efecto considerable durante la medición de su viscosidad. Por lo tanto, es importante ser consciente de esto y tener el mayor control sobre el medio ambiente de cualquier producto que necesite medir. En primer lugar, deben aplicarse las técnicas de medición de la viscosidad descritas en la sección 3.3. Diferentes variables como: modelo de viscosímetro, combinación de movimiento / velocidad, tamaño del recipiente, presencia o ausencia de calibre, temperatura del producto, técnica de preparación de la muestra, etc., pueden afectar no solo la reproducibilidad del medición, sino también el valor de viscosidad real del producto que está midiendo. En segundo lugar, se deben considerar otros parámetros menos obvios que pueden influir en la viscosidad. Por ejemplo, el producto puede ser sensible a la atmósfera ambiental, como es el caso de los productos dentales, metalúrgicos y subproductos de altos hornos, sangre y moco. En estos casos, puede ser necesaria una atmósfera controlada favorable (ver información sobre sistemas de purga en la sección 2.1.10). Otro factor que puede influir en la medición de la viscosidad es la homogeneidad de la muestra. Muy a menudo es preferible tener una muestra homogénea. Por tanto, se pueden obtener resultados más reproducibles. A veces, sin embargo, la tendencia de un material a separarse en diferentes capas no homogéneas es su característica más interesante. En este caso concreto, se debe tener cuidado de no agitar, agitar o mezclar el producto antes de estudiarlo.

Hora

El tiempo transcurrido mientras se aplica un esfuerzo cortante obviamente afecta a los materiales tixotrópicos y antitixotrópicos (materiales dependientes del tiempo). Pero los cambios en la viscosidad en muchos materiales pueden ocurrir con el tiempo incluso si el producto no está sujeto a esfuerzos cortantes. El fenómeno del envejecimiento debe tenerse en cuenta al seleccionar y preparar muestras para medir la viscosidad. Considere también el hecho de que la mayoría de los materiales sufrirán cambios de viscosidad durante el curso de una reacción química, y que la medición de la viscosidad realizada en un momento particular durante la reacción puede variar significativamente de la medida. En otro momento.

Presión

Los cambios de presión pueden provocar la formación de burbujas en los gases disueltos, cambios en el volumen y distribución de los gases y, en algunos casos, pueden crear turbulencias. La presión no se tiene en cuenta con tanta frecuencia como otros parámetros. La presión comprime los fluidos y aumenta así la resistencia intermolecular. Los líquidos son comprimibles bajo la influencia de presiones muy altas de la misma forma que los gases, pero en menor medida. El aumento de presión provoca un aumento de viscosidad. Por ejemplo, las propiedades de flujo de lodos muy cargados (más de 70-80% por volumen de partículas), cuando la fase líquida es insuficiente para llenar todos los huecos entre las partículas, son el resultado de una mezcla de tres fases (sólida, líquida y aire). Debido a la presencia de aire, la mezcla es comprimible y por lo tanto, cuanto más se comprime, más resiste el flujo.

Historia del producto

Lo que le sucedió a una muestra antes de medir su viscosidad puede afectar significativamente el resultado, especialmente para fluidos sensibles al calor y al envejecimiento. Por lo tanto, las condiciones de almacenamiento y las técnicas de preparación de muestras deben diseñarse para minimizar sus efectos en la medición de la viscosidad. Los materiales tixotrópicos en particular son sensibles a su historia porque su viscosidad se verá afectada si han sido previamente removidos, mezclados, vertidos o si han sufrido cualquier otra acción que produzca cizallamiento. 4.7.7 Composición y aditivos La composición de un material es uno de los factores determinantes de su viscosidad. Cuando se modifica su composición, ya sea cambiando las proporciones de sus diferentes componentes, o agregando otro material, un cambio en la viscosidad es altamente predecible. Por ejemplo, agregar solvente a una tinta de impresión reduce la viscosidad de la tinta. Se utilizan aditivos de todo tipo para controlar las propiedades reológicas de las pinturas.

Características específicas de dispersiones y emulsiones

Las dispersiones y emulsiones son materiales multifásicos que constan de una o más fases sólidas dispersas en una fase líquida. Pueden verse afectados reológicamente por varios factores. Además de la mayoría de los factores descritos anteriormente, las extrañas propiedades de los materiales multifásicos tienen una parte muy importante en la reología de dichos materiales.

Una de las principales características a estudiar es el estado de cohesión del material. ¿Las partículas que componen la fase sólida están separadas y distintas o están agrupadas? ¿Qué tan grandes son los grupos y están fuertemente unidos? Si los grupos ocupan un gran volumen en la dispersión, la viscosidad tenderá a ser mayor. Esto se debe a la mayor fuerza requerida para romper los enlaces de cohesión de la materia sólida suspendida.

Cuando los bloques se aglomeran en la dispersión, el comportamiento del aglomerado puede inducir un flujo de adelgazamiento por cizallamiento. A bajo cizallamiento, el aglomerado puede deformarse pero permanecer relativamente intacto. Cuando aumenta el cizallamiento, el aglomerado puede romperse en varios bloques individuales, reduciendo las áreas de fricción, reduciendo así la viscosidad. Consulte la sección 4.4 para obtener más detalles sobre el comportamiento del adelgazamiento por cizallamiento. Si las uniones en el aglomerado son muy fuertes, el sistema puede tener un límite elástico (ver sección 4.4 sobre comportamiento plástico). La importancia del valor umbral depende de la fuerza requerida para romper estos enlaces.

Si la estructura de floculación del material se destruye con el tiempo mientras está sometido a una tensión fija, se observará un comportamiento de flujo del tipo “dependiente del tiempo” (ver sección 4.5).

Si la velocidad de cizallamiento se reduce después de la destrucción de la totalidad o parte de la estructura de floculación, la viscosidad del material puede ser menor de lo que podría haber sido en el pasado con la misma velocidad de cizallamiento. A medida que los bloques comienzan a juntarse nuevamente después de la destrucción, la velocidad con la que ocurre esta reunión afecta el tiempo de reconversión al nivel inicial de viscosidad. Si la velocidad es rápida, la viscosidad será bastante similar al valor inicial después de poco tiempo. Si la velocidad es lenta, la viscosidad permanecerá en un nivel más bajo durante más tiempo. Esto es característico de un comportamiento reológico llamado tixotropía (ver sección 4.5).

La atracción de partícula a partícula de la fase sólida dispersa depende del tipo de material presente en la interfaz entre la fase líquida y la fase sólida, lo que a su vez afecta las propiedades reológicas del sistema. Por tanto, la introducción de floculantes o antifloculantes en el sistema es un método para controlar su reología. La forma de las partículas que constituyen la fase dispersa también es importante a la hora de determinar la reología del sistema. Las partículas suspendidas en un medio fluido están en constante rotación. Si estas partículas son esencialmente esféricas, la rotación puede ser libre. Sin embargo, si las partículas tienen una forma afilada o aplanada, la facilidad de rotación es menos predecible, al igual que el efecto de variar la velocidad de corte. La estabilidad de una fase dispersa es particularmente crítica cuando se mide la viscosidad de un sistema multifásico. Si la fase dispersa tiende a asentarse, produciendo un fluido no homogéneo, las características reológicas del sistema cambiarán. En la mayoría de los casos, esto significa que la viscosidad medida disminuirá. Los datos obtenidos en estas condiciones a menudo serán erróneos, lo que requerirá precauciones especiales para garantizar que la fase dispersa permanezca en suspensión.