¿Qué es la viscosidad?

La viscosidad es un parámetro principal al medir el caudal de fluidos, como líquidos, semisólidos, gases e incluso sólidos. Brookfield se ocupa de líquidos y semisólidos. Las mediciones de viscosidad se realizan junto con la calidad y la eficiencia del producto. Cualquier persona involucrada en caracterización de flujo, investigación o desarrollo, control de calidad o transferencia de fluidos, en un punto u otro, está involucrado en algún tipo de medición de viscosidad.

Muchos fabricantes ahora consideran a los viscosímetros como una parte crucial de sus programas de investigación, desarrollo y control de procesos. Saben que las mediciones de viscosidad son a menudo la forma más rápida, precisa y confiable de analizar algunos de los factores más importantes que afectan el desempeño del producto.

Las relaciones reológicas nos ayudan a comprender los fluidos con los que trabajamos para que podamos saber cómo se comportan o obligarlos a comportarse de acuerdo con nuestras necesidades.

Existen muchas técnicas diferentes para medir la viscosidad, cada una adecuada para circunstancias y materiales específicos. Seleccionar el viscosímetro adecuado entre las docenas de instrumentos disponibles para satisfacer las necesidades de cualquier aplicación es una propuesta difícil. Hoy en día, los instrumentos varían desde los más simples hasta los más complejos: desde contar los segundos para que un líquido fluya desde una varilla, hasta equipos de control y registro automático altamente sofisticados. Esto coloca al usuario del instrumento en una posición en la que debe aplicarse su propia apreciación de los fenómenos de flujo involucrados, junto con el "conocimiento y la experiencia" del fabricante del instrumento.

Brookfield fue pionero en el desarrollo de instrumentos para la medición de la viscosidad y el procesamiento de datos y un estímulo para el desarrollo de la ciencia. Tenemos el "conocimiento y la experiencia" para ser su socio en la selección de la instrumentación adecuada para controlar su proceso.

¿POR QUÉ REALIZAR MEDICIONES REOLÓGICAS?

Cualquiera que comience el proceso de aprendizaje del pensamiento reológico debería primero hacer la pregunta: "¿Por qué debería tomar una medición de viscosidad?" La respuesta está en las experiencias de miles de personas que han realizado este tipo de mediciones, demostrando que es posible obtener mucha información conductual y predictiva útil para diversos productos, así como conocimiento de los efectos del tratamiento, cambios en la formulación, envejecimiento. fenómenos, etc.

Una razón común para medir las propiedades reológicas se puede encontrar en el campo del control de calidad, donde las materias primas deben ser consistentes de un lote a otro. Con este fin, el comportamiento del flujo es una medida indirecta de la consistencia y la calidad del producto.

Otra razón para realizar estudios de comportamiento de flujo es que se puede obtener una evaluación directa de la procesabilidad. Por ejemplo, un líquido de alta viscosidad requiere más potencia para bombear que un líquido de baja viscosidad. Por lo tanto, conocer su comportamiento reológico es útil a la hora de diseñar sistemas de bombeo y tuberías.

Se ha sugerido que la reología es el método más sensible para la caracterización de materiales porque el comportamiento del flujo es sensible a propiedades como el peso molecular y la distribución del peso molecular. Esta relación es útil en la síntesis de polímeros, por ejemplo, ya que permite ver diferencias relativas sin realizar mediciones de peso molecular. Las mediciones reológicas también son útiles para monitorear el curso de una reacción química. Estas mediciones pueden usarse como control de calidad durante la producción o para monitorear y / o controlar un proceso. Las mediciones reológicas permiten estudiar los tratamientos químicos, mecánicos y térmicos, los efectos de los aditivos o el curso de una reacción de endurecimiento. También son un medio para predecir y controlar una multitud de propiedades del producto, el rendimiento del uso final y el comportamiento del material.

PIENSA REOLÓGICAMENTE

Para empezar, considere la pregunta: "¿Se puede usar un parámetro reológico para correlacionar con algún aspecto del producto o proceso?" Para determinar esto, se debe desarrollar un instinto para los tipos de fenómenos químicos y físicos que afectan la respuesta reológica. Por ahora, supongamos que se conoce esta información y que se han identificado varias posibilidades. El siguiente paso es recopilar datos reológicos preliminares para determinar qué tipo de comportamiento de flujo es característico del sistema en consideración. En el nivel más básico, esto implica tomar medidas con cualquier viscosímetro Brookfield disponible y sacar conclusiones basadas en las descripciones del comportamiento de flujo que siguen.

Una vez que se identifica el tipo de comportamiento del flujo, se puede comprender mejor cómo interactúan los componentes del sistema. Los datos así obtenidos se pueden ajustar a uno de los modelos matemáticos que se han utilizado con éxito con los instrumentos Brookfield.

Estos modelos matemáticos van desde muy simples hasta muy complejos. Algunos de ellos simplemente implican trazar datos en papel cuadriculado; otros requieren que calcules la razón de dos números. Algunos son bastante sofisticados y requieren el uso de calculadoras o computadoras programables. Este tipo de análisis es la mejor manera de aprovechar al máximo nuestros datos y, a menudo, da como resultado una de dos constantes que resumen los datos y pueden relacionarse con el rendimiento del producto o proceso.

Una vez que se ha establecido una correlación entre los datos reológicos y el comportamiento del producto, el procedimiento se puede revertir y los datos reológicos se pueden utilizar para predecir el rendimiento y el comportamiento.

Luchando con la REOLOGÍA

El diccionario define la reología como "el estudio del cambio en la forma y el flujo de la materia, que abarca la elasticidad, la viscosidad y la plasticidad".

Estamos interesados en este capítulo con una viscosidad, más definida como

la fricción interna de un fluido, causada por la atracción molecular, que hace que resista una tendencia a fluir. Su viscosímetro Brookfield mide esta fricción y, por lo tanto, funciona como una herramienta de reología. El propósito de este capítulo es familiarizarlo con los diferentes tipos de comportamiento de flujo y el uso del viscosímetro Brookfield como instrumento reológico que le permitirá realizar análisis detallados de prácticamente cualquier fluido. Esta información es útil para todos los usuarios de viscosímetros, especialmente aquellos que se adhieren a las escuelas de pensamiento teóricas y académicas sobre la medición de la viscosidad.

VISCOSIDAD

La viscosidad es la medida de la fricción interna de un fluido. Esta fricción se hace evidente cuando se hace que una capa de fluido se mueva en relación con otra capa. Cuanto mayor es la fricción, mayor es la fuerza requerida para provocar este movimiento, llamado cizallamiento, es importante. El cizallamiento ocurre siempre que el fluido se mueve o distribuye físicamente, como al verter, esparcir, rociar, mezclar, etc. Por lo tanto, los fluidos muy viscosos requieren más fuerza para moverse que los materiales menos viscosos.

Isaac Newton definió la viscosidad considerando el modelo que se muestra en la figura anterior. Dos planos paralelos de fluido con la misma superficie A están separados por una distancia dx y se mueven en la misma dirección a diferentes velocidades V1 y V2. Newton supuso que la fuerza requerida para mantener esta diferencia de velocidad era proporcional a la diferencia de velocidad a través del líquido, o el gradiente de velocidad. Para expresar esto, Newton escribió:

El gradiente de velocidad, dv / dx, es una medida del cambio en la velocidad a la que las capas intermedias se mueven entre sí. Describe el cizallamiento que sufre el líquido y, por lo tanto, se denomina velocidad de cizallamiento. Esto será simbolizado por S en discusiones posteriores. Su unidad de medida se llama segundo recíproco (sec-1).

El término F / A indica la fuerza por unidad de área requerida para producir la acción de corte. Se llama esfuerzo cortante y estará simbolizado por F ′. Su unidad de medida es dinas por centímetro cuadrado (dinas / cm2).

Usando estos términos simplificados, la viscosidad se puede definir matemáticamente mediante esta fórmula:

La unidad básica de medida de la viscosidad es el equilibrio. Un material que requiere un esfuerzo cortante de una dina por centímetro cuadrado para producir una velocidad de corte recíproca de un segundo tiene una viscosidad de un poise o 100 centipoise. Encontrará medidas de viscosidad expresadas en Pascal-segundos (Pa · s) o mili-Pascal-segundos (mPa · s); son unidades del sistema internacional y, a veces, se utilizan con preferencia a las designaciones métricas. Un pascal-segundo es igual a diez poises; un mili-Pascal-segundo es igual a un centipoise.

FLUIDOS NEWTONIANOS

Este tipo de comportamiento de flujo que Newton asume para todos los fluidos se llama, como era de esperar, Newtoniano. Sin embargo, este es solo uno de los muchos tipos de comportamiento de flujo que puede encontrar. Un fluido newtoniano se representa gráficamente en la siguiente figura. El gráfico A muestra que la relación entre el esfuerzo cortante (F ′) y la velocidad cortante (S) es una línea recta. El gráfico B muestra que la viscosidad del fluido permanece constante a medida que varía la velocidad de corte. Los fluidos newtonianos típicos incluyen agua y aceites de motor fluidos.

Newton supuso que todos los materiales tienen, a una temperatura dada, una viscosidad independiente de la velocidad de corte. En otras palabras, el doble de fuerza movería el fluido dos veces más rápido. Como veremos, Newton solo tenía razón en parte.

En la práctica, esto significa que a una temperatura determinada, la viscosidad de un fluido newtoniano permanecerá constante independientemente del modelo de viscosímetro, husillo o velocidad que utilice para medirlo. Los estándares de viscosidad Brookfield son newtonianos en el rango de velocidades de cizallamiento generadas por el equipo Brookfield; por eso se pueden utilizar con todos nuestros modelos de viscosímetros. Los newtonianos son obviamente los fluidos más fáciles de medir, solo tome su viscosímetro y listo. Desafortunadamente, no son tan comunes como ese grupo de fluidos mucho más complejo, los no newtonianos, que discutiremos en la siguiente sección.

FLUIDOS NO NEWTONIANOS

Un fluido no newtoniano se define ampliamente como un fluido para el que la relación F ′ / S no es una constante. En otras palabras, cuando se varía la velocidad de corte, el esfuerzo de corte no varía en la misma proporción (o incluso necesariamente en la misma dirección). Por tanto, la viscosidad de dichos fluidos cambiará a medida que varíe la velocidad de cizallamiento. Por lo tanto, los parámetros experimentales del modelo de viscosímetro, el husillo y la velocidad tienen un efecto sobre la viscosidad medida de un fluido no newtoniano. Esta viscosidad medida se denomina viscosidad aparente del fluido y solo es precisa cuando se proporcionan y respetan parámetros experimentales explícitos.

Se puede considerar un flujo no newtoniano considerando cualquier fluido como una mezcla de moléculas de diferentes formas y tamaños. Cuando se cruzan, como sucede durante el flujo, su tamaño, forma y cohesión determinarán la fuerza necesaria para moverlos. A cada velocidad de cizallamiento específica, la alineación puede ser diferente y se puede requerir más o menos fuerza para mantener el movimiento.

Hay varios tipos de comportamiento de flujo no newtoniano, que se caracterizan por cómo cambia la viscosidad de un fluido en respuesta a cambios en la velocidad de corte. Los tipos más comunes de fluidos no newtonianos que puede encontrar incluyen los siguientes:

Pseudoplástico

Este tipo de fluido mostrará una viscosidad decreciente al aumentar la velocidad de cizallamiento, como se muestra en la figura siguiente. Probablemente el más común de los fluidos no newtonianos, los pseudoplásticos incluyen pinturas, emulsiones y dispersiones de muchos tipos. Este tipo de comportamiento de flujo a veces se denomina adelgazamiento por cizallamiento.

Dilatando

Una viscosidad creciente con un aumento en la velocidad de cizallamiento caracteriza al fluido dilatador; vea la figura siguiente. Aunque es más raro que la pseudoplasticidad, la dilatación se observa comúnmente en fluidos que contienen altos niveles de sólidos desfloculados, como lodos de arcilla, compuestos de caramelo, almidón de maíz en agua y mezclas de arena / agua. La expansión también se conoce como comportamiento de flujo de espesamiento por cizallamiento.

El plastico

Este tipo de fluido se comportará como un sólido en condiciones estáticas. Se debe aplicar alguna fuerza al fluido antes de que se induzca un flujo; esta fuerza se llama valor de elasticidad. El ketchup de tomate es un buen ejemplo de este tipo de líquido; su valor de rendimiento a menudo hará que se niegue a verterse de la botella hasta que la botella se sacuda o golpee, permitiendo que la salsa de tomate salga libremente. Una vez que se excede el límite de flujo y comienza el flujo, los fluidos plásticos pueden exhibir características de flujo newtoniano, pseudoplástico o dilatador. Consulte la figura siguiente.

Hasta ahora, solo hemos discutido el efecto de la velocidad de corte en fluidos no newtonianos. ¿Qué sucede cuando se tiene en cuenta el elemento tiempo? Esta pregunta nos lleva a examinar otros dos tipos de flujos no newtonianos: tixotrópicos y reopécticos.

TIXOTROPIA Y REOPEXIA

Algunos fluidos muestran un cambio de viscosidad con el tiempo en condiciones de velocidad de corte constante. Hay dos categorías a considerar:

Tixotropía

Como se muestra en la figura siguiente, un fluido tixotrópico sufre una disminución de viscosidad con el tiempo, mientras se somete a un cizallamiento constante.

Reopexia

Esto es esencialmente lo opuesto al comportamiento tixotrópico, ya que la viscosidad del fluido aumenta con el tiempo a medida que se cizalla a una velocidad constante. Consulte la figura siguiente.

La tixotropía y la reopexia pueden ocurrir en combinación con cualquiera de los comportamientos de flujo discutidos anteriormente, o solo a ciertas velocidades de cizallamiento. El elemento de tiempo es extremadamente variable; En condiciones de cizallamiento constante, algunos fluidos alcanzarán su valor de viscosidad final en segundos, mientras que otros pueden tardar varios días.

Rara vez se encuentran fluidos reopécticos. Sin embargo, la tixotropía se observa con frecuencia en materiales como grasas, tintas de impresión pesadas y pinturas.

Cuando se somete a diferentes velocidades de corte, un fluido tixotrópico reaccionará como se muestra en la siguiente figura. Se hizo un gráfico de esfuerzo cortante versus velocidad de corte cuando la velocidad de corte se incrementó a un cierto valor y luego se redujo inmediatamente hasta el punto de partida. Tenga en cuenta que las curvas superior e inferior no coinciden. Este bucle de histéresis es causado por la disminución de la viscosidad del fluido con el aumento del tiempo de cizallamiento. Dichos efectos pueden ser reversibles o no; algunos fluidos tixotrópicos, si se dejan reposar por un tiempo, volverán a su viscosidad original, mientras que otros nunca lo harán.

El comportamiento reológico de un fluido puede, por supuesto, tener un efecto profundo en la técnica de medición de la viscosidad. Más adelante, analizaremos algunos de estos efectos y las formas de lidiar con ellos.

FLUJO LAMINARIO Y TURBULENTE

La propia definición de viscosidad implica la existencia de lo que se llama flujo laminar: el movimiento de una capa de fluido frente a otra sin transferencia de material de una a otra. La viscosidad es la fricción entre estas capas.

Dependiendo de una serie de factores, existe una cierta velocidad máxima a la que una capa de fluido puede moverse en relación con otra, más allá de la cual se produce una verdadera transferencia de masa. A esto se le llama turbulencia. Las moléculas o partículas más grandes saltan de una capa a otra y disipan una cantidad sustancial de energía en el proceso. El resultado neto es que se necesita más entrada de energía para mantener este flujo turbulento que el flujo laminar a la misma velocidad.

El aumento de la entrada de energía se manifiesta por un esfuerzo cortante aparentemente mayor que el que se observaría en condiciones de flujo laminar a la misma velocidad de corte. Esto da como resultado una lectura errónea de alta viscosidad.

El punto en el que el flujo laminar se convierte en flujo turbulento depende de otros factores además de la velocidad a la que se mueven las capas. La viscosidad y la densidad de un material, así como la geometría del eje del viscosímetro y el recipiente de la muestra, influyen en el punto en el que se produce esta transición.

Se debe tener cuidado para distinguir entre condiciones de flujo turbulento y comportamiento de flujo expansivo. En general, los materiales expansores exhibirán una viscosidad en constante aumento a medida que aumenta la velocidad de cizallamiento; El flujo turbulento se caracteriza por un aumento relativamente repentino y sustancial de la viscosidad por encima de una cierta velocidad de cizallamiento. El comportamiento de flujo del material puede ser newtoniano o no newtoniano por debajo de este punto.

Debido a las velocidades de cizallamiento relativamente bajas a las que operan la mayoría de los viscosímetros Brookfield, es poco probable que encuentre un flujo turbulento a menos que mida viscosidades por debajo de 15 cP con un viscosímetro de la serie LV o de 85 cP con otros modelos. Cuanto mayor sea la viscosidad de un fluido, es menos probable que experimente turbulencias. Si se observa turbulencia al medir fluidos de baja viscosidad, a menudo se puede eliminar utilizando el accesorio UL Adapter ™.

¿QUÉ AFECTA A LA PROPIEDAD REOLÓGICA?

Los datos de viscosidad a menudo funcionan como una "ventana" a través de la cual se pueden observar otras características de un material. La viscosidad se mide más fácilmente que algunas de las propiedades que la afectan, lo que la convierte en una herramienta valiosa para la caracterización de materiales. Anteriormente en este capítulo, discutimos varios tipos de comportamiento reológico y cómo identificarlos. Después de identificar un comportamiento reológico particular en un material, es posible que se pregunte qué implica esta información sobre sus otras características. Esta sección, basada en información obtenida de años de experiencia del cliente, está diseñada como un "tickler" para hacerle pensar en los misterios que su viscosímetro puede ayudarlo a resolver.

La temperatura

Uno de los factores más obvios que pueden afectar el comportamiento reológico de un material es la temperatura. Algunos materiales son bastante sensibles a la temperatura y un cambio relativamente pequeño provocará un cambio significativo en la viscosidad. Otros son relativamente insensibles. La consideración del efecto de la temperatura sobre la viscosidad es esencial en la evaluación de materiales que estarán sujetos a variaciones de temperatura durante el uso o procesamiento, tales como aceites de motor, grasas y adhesivos.

Tasa de cizallamiento

Los fluidos no newtonianos tienden a ser la regla más que la excepción en el mundo real, lo que hace que la apreciación de los efectos de la velocidad de corte sea una necesidad para cualquiera que se dedique a la aplicación práctica de datos reológicos. Sería, por ejemplo, desastroso intentar bombear un fluido en expansión a través de un sistema, para que se solidifique dentro de la bomba, lo que pararía abruptamente todo el proceso. Aunque este es un ejemplo extremo, no se debe subestimar la importancia de los efectos de la velocidad de corte.

Cuando un material se va a someter a varias velocidades de cizallamiento durante el procesamiento o uso, es esencial conocer su viscosidad a las velocidades de cizallamiento proyectadas. Si no se conocen, se debe realizar una estimación. Las mediciones de viscosidad deben realizarse a velocidades de cizallamiento lo más cercanas posible a los valores estimados.

A menudo no es posible aproximar los valores de velocidad de corte proyectados durante la medición debido a que estos valores caen fuera del rango de velocidad de corte del viscosímetro. En este caso, es necesario realizar mediciones a varias tasas de corte y extrapolar los datos a los valores proyectados. No es el método más preciso para adquirir esta información, pero a menudo es la única alternativa disponible, especialmente cuando las tasas de corte proyectadas son muy altas. De hecho, siempre es aconsejable realizar mediciones de viscosidad a varias velocidades de cizallamiento para detectar comportamientos reológicos que puedan tener un efecto sobre el tratamiento o el uso. Cuando los valores de la velocidad de cizallamiento son desconocidos o no son importantes, a menudo será suficiente una muestra de la viscosidad en función de las rpm por minuto.

Ejemplos de materiales sometidos y afectados por grandes variaciones en la velocidad de cizallamiento durante el procesamiento y uso son: pinturas, cosméticos, látex líquido, revestimientos, ciertos productos alimenticios y sangre en el sistema circulatorio humano. La siguiente tabla muestra ejemplos típicos de diferentes velocidades de corte.