Affrontare la reologia

La reologia è definita nel Webster Dictionary come lo studio dei cambiamenti nella forma e nel flusso della materia, tra cui elasticità, viscosità e plasticità. In questo capitolo ci concentreremo sulla viscosità, definita come "l'attrito interno di un fluido, causato dall'attrazione molecolare, e che gli conferisce una tendenza a resistere al flusso". Il viscosimetro Brookfield misura questo attrito e quindi funziona come uno strumento reologico. Lo scopo di questo capitolo è istruirvi sui diversi tipi di comportamento del flusso e utilizzare il viscosimetro Brookfield come un vero strumento di reologia che consente di eseguire analisi dettagliate praticamente di qualsiasi tipo di fluido. Questa sezione è interessante per qualsiasi utente di viscosimetro, in particolare per coloro che sono seguaci di scuole di pensiero teoriche e accademiche per quanto riguarda le misurazioni della viscosità.

Viscosità

La viscosità è la misura dell'attrito interno di un fluido. Questo attrito si verifica quando uno strato di fluido viene messo in movimento rispetto a un altro strato. Maggiore è l'attrito, maggiore è la quantità di energia richiesta per generare il movimento che è qui indicato come taglio. Il taglio si verifica quando il fluido viene spostato fisicamente, ad esempio quando viene versato, applicato, spruzzato, miscelato, ecc. I fluidi altamente viscosi richiedono più energia per muoversi rispetto ai fluidi meno viscosi

Isaac Newton definisce la viscosità considerando il diagramma mostrato nella Figura 4-1. Due piani paralleli di fluido di uguale area A sono separati da dx e si muovono nella stessa direzione ma a velocità differenti v1 e v2. Newton afferma che la forza richiesta per mantenere questa differenza di velocità è proporzionale alla differenza di velocità attraverso il liquido o gradiente di velocità. Per esprimere questo, Newton scrive:

o è una caratteristica costante di un dato prodotto chiamata viscosità.

Il gradiente di velocità è la misura della variazione di velocità alla quale gli strati intermedi si muovono uno di fronte all'altro. Rappresenta lo shear che il liquido subisce ed è quindi chiamato shear rate. D'ora in poi lo rappresenteremo con la lettera S. La sua unità di misura è la seconda potenza –1 (sec-1). Il termine F / A rappresenta la forza richiesta per unità di area per produrre l'azione di taglio. Si chiama sforzo di taglio ed è rappresentato da F '. La sua unità di misura è dyne per centimetro quadrato (dine / cm2), o N / m2 o Pa. Usando questi termini semplificati, la viscosità può essere definita dalla seguente formula matematica

L'unità di misura della viscosità è l'equilibrio. Un prodotto che richiede una forza di 1 dyne per centimetro quadrato per produrre una velocità di taglio di 1 s-1 ha una viscosità di 1 Poise o 100 centipoise. Incontrerai anche misurazioni della viscosità espresse in Pascal-secondi (Pa.s) o milliPascal-secondi (mPa.s). Queste sono le unità del sistema internazionale e talvolta sono preferite rispetto al sistema CGS. Un Pascal-secondo equivale a 10 Poise. Un milliPascal-secondo è uguale a 1 centiPoise. Newton ritiene che qualsiasi materiale abbia, a una data temperatura, una viscosità che è indipendente dalla velocità di taglio. Per lui, il doppio della forza applicata farà sì che lo spostamento sia due volte più veloce. Come vedremo, Newton aveva solo parzialmente ragione.

Fluidi newtoniani

Questo tipo di comportamento del flusso che Newton considerava applicabile a tutti i fluidi non è sorprendentemente chiamato comportamento newtoniano. Tuttavia, questo è solo un caso tra molti altri comportamenti di flusso che potresti incontrare. Un fluido newtoniano è rappresentato graficamente nella Figura 4-2. Il grafico A mostra che la relazione tra lo sforzo di taglio (F ') e la velocità di taglio (S) è una linea retta. Il grafico B mostra che la viscosità del fluido rimane costante indipendentemente dalla velocità di taglio. I tipici fluidi newtoniani sono, ad esempio, l'acqua e gli oli motore.

Ciò significa in pratica che, per una data temperatura, la viscosità di un fluido newtoniano rimane costante indipendentemente dal modello di viscosimetro, dal tipo di corpo in movimento e dalla velocità utilizzata per misurarlo. Gli oli standard Brookfield sono newtoniani nell'intervallo di taglio generato dalle apparecchiature Brookfield. Questo è il motivo per cui possono essere utilizzati con tutti i nostri modelli di viscosimetro (ad eccezione dei modelli CAP 1000 e CAP2000). I fluidi newtoniani sono probabilmente i fluidi più facili da misurare. Prendi il tuo viscosimetro e misura ... Sfortunatamente non sono così diffusi come i fluidi nel gruppo più complesso non newtoniano

Fluidi non newtoniani

Un fluido non newtoniano è definito globalmente come un fluido il cui rapporto F '/ S non è costante. In altre parole, quando il tempo di taglio varia, lo sforzo di taglio non varia nelle stesse proporzioni (e non necessariamente nella stessa direzione). La viscosità di tali prodotti cambia quindi al variare del taglio. Pertanto, parametri sperimentali come il modello del viscosimetro, il corpo in movimento e la velocità hanno un effetto sulla misurazione della viscosità di un prodotto non newtoniano. La viscosità misurata viene quindi chiamata viscosità apparente e questa misurazione può essere utilizzata solo se vengono forniti i parametri sperimentali della misurazione. I flussi non newtoniani possono essere visualizzati pensando a fluidi costituiti da una miscela di molecole di diverse dimensioni e forme. Quando passano l'uno vicino all'altro, come fanno durante un flusso, le loro dimensioni, forme e poteri coesivi determineranno quanta forza sarà necessaria per muoverli. Ad ogni specifica velocità di taglio, gli allineamenti possono essere diversi e sarà necessaria una forza maggiore o minore per mantenere il movimento. Esistono diversi tipi di comportamento del flusso per i fluidi non newtoniani. I tipi più comuni che incontrerai sono:

Reofluidificatore:

Questo tipo di fluido mostra una diminuzione della viscosità all'aumentare della velocità di taglio, come mostrato nella Figura 4-3. Probabilmente il più comune dei fluidi non newtoniani, i diluenti di taglio includono vernici, emulsioni e dispersioni di tutti i tipi. Questo tipo di comportamento del flusso è talvolta indicato come "assottigliamento di taglio".

Rheo-addensante:

L'aumento della viscosità all'aumentare della velocità di taglio è caratteristico di questo tipo di fluido. Sebbene più raro del flusso di taglio, il comportamento di ispessimento al taglio è frequentemente osservato nei fluidi contenenti un alto livello di solidi deflocculati, come argille, amidi di mais mescolati in acqua e miscela di acqua / sabbia. Il comportamento dilatante è anche chiamato "ispessimento al taglio".

Pseudoplastica

Questo tipo di fluido si comporta come un solido quando è a riposo. Una certa forza deve essere applicata a questo fluido per farlo muovere. Questa forza è chiamata "punto di snervamento". Il ketchup è un buon esempio di questo tipo di prodotto. Il suo punto di snervamento impedisce che fuoriesca dalla bottiglia a meno che la bottiglia non venga agitata, che quindi rilascia il flusso. Quando il punto di snervamento viene superato, il fluido può presentare un flusso newtoniano, assottigliato o ispessito.

Fino ad ora abbiamo solo accennato all'influenza del taglio sul comportamento del flusso di fluidi non newtoniani. Cosa succede quando si deve considerare il tempo? Questa domanda ci porta ad esaminare due nuovi tipi di flusso non newtoniano: tixotropia e anti-tixotropia.

Tissotropia e antitissotropia

Alcuni fluidi mostrano un cambiamento di viscosità nel tempo in condizioni di taglio costante. Ci sono due categorie da considerare:

Tixotropia:

Come mostrato nella figura seguente, i fluidi tixotropici mostrano una diminuzione della viscosità nel tempo in condizioni di taglio costante.

Anti-tixotropia

È l'opposto del comportamento tissotropico, la viscosità del fluido aumenta con il tempo a taglio costante.

La tixotropia e l'anti-tixotropia possono esistere in combinazione con tutti gli altri comportamenti discussi in precedenza o solo a determinati livelli di taglio. L'elemento temporale è estremamente variabile. Sotto costante taglio, alcuni fluidi raggiungono la loro viscosità finale in pochi secondi, mentre per altri la stabilizzazione può richiedere diversi giorni. I liquidi anti-tixotropici sono rari. La tissotropia è frequentemente osservata in materiali come grassi, inchiostri da stampa e vernici. Quando sottoposto a taglio variabile, il fluido tissotropico reagisce come mostrato nella Figura 4-8. È stata realizzata una curva sforzo di taglio / velocità di taglio aumentando il taglio a un certo valore e quindi diminuendolo fino al punto iniziale. Notare che la curva di salita e la curva di discesa non coincidono. Questa curva di isteresi è dovuta al calo di viscosità del fluido nel tempo. Questi effetti possono essere reversibili o irreversibili. Alcuni fluidi, se lasciati a riposo per un po ', torneranno alla loro viscosità originale, mentre altri non torneranno mai più.

Il comportamento reologico di un fluido può ovviamente avere importanti effetti sulle tecniche di misura della viscosità. Nella sezione 4.7 discuteremo alcuni di questi effetti e come gestirli. Il Capitolo 5 presenta tecniche matematiche avanzate utilizzate per analizzare il comportamento del flusso in un'ampia varietà di condizioni. Tuttavia, discuteremo prima gli effetti del flusso laminare e turbolento sulle misurazioni della viscosità.

Flusso laminare e turbolento

La stessa definizione di viscosità implica l'esistenza di quello che viene chiamato flusso laminare, cioè il movimento di uno strato di fluido rispetto a un altro senza trasferimento di materiale dall'uno all'altro.

A seconda di una serie di fattori, esiste una velocità di spostamento massima alla quale può verificarsi il trasferimento del materiale. Questo fenomeno è chiamato turbolenza. Le molecole o le particelle più grandi saltano da uno strato all'altro e dissipano una notevole quantità di energia durante la manovra. Il risultato netto è che è necessaria più energia per mantenere il flusso turbolento alla stessa velocità del flusso laminare.

L'aumento di energia richiesta si manifesta con uno sforzo di taglio apparentemente maggiore di quello osservato sotto flusso laminare alla stessa velocità di taglio. Il risultato finale è una lettura errata della viscosità perché è più importante.

La trasformazione di un flusso laminare in un flusso turbolento dipende anche da altri fattori oltre alla velocità di movimento degli strati. La viscosità del prodotto, il suo peso specifico, la geometria del mobile utilizzato e le dimensioni del contenitore influenzano anche l'inizio del momento in cui si manifesta la turbolenza.

Si deve prestare attenzione a distinguere tra condizioni di flusso turbolento e comportamento di flusso espansivo (vedere paragrafo 4.4). In generale, le viscosità dei materiali ispessenti al taglio aumentano costantemente all'aumentare del taglio. L'aspetto del flusso turbolento è caratterizzato da un aumento relativamente improvviso e significativo della viscosità da una certa soglia di taglio. Il comportamento di flusso di questi materiali sopra questo punto può essere newtoniano o non newtoniano.

A causa delle velocità di taglio relativamente basse a cui opera la maggior parte dei viscosimetri Brookfield, è improbabile che si incontrino flussi turbolenti a meno che non si misurino viscosità inferiori a 15 cP con i viscosimetri della serie LV e inferiori a 85 cP con il altri modelli. Maggiore è la viscosità del fluido, minore è la probabilità che si verifichi turbolenza. Se si osserva turbolenza durante la misurazione di fluidi a bassa viscosità, molto spesso può essere eliminata utilizzando l'accessorio ULA.

Cosa influenza le proprietà reologiche?

I dati del viscosimetro si presentano spesso come una "finestra" attraverso la quale è possibile osservare altre proprietà del materiale. La viscosità è misurata più facilmente rispetto alla maggior parte delle proprietà che la influenzano, il che la rende uno strumento interessante per la caratterizzazione dei materiali. In precedenza in questo capitolo abbiamo esaminato i diversi tipi di comportamento reologico e come identificarli. Dopo aver identificato il particolare comportamento reologico del tuo prodotto, potresti chiederti cosa implicano queste informazioni riguardo alle sue altre caratteristiche. Questa sezione, basata sulle informazioni raccolte negli anni dai nostri clienti, ha lo scopo di farti riflettere sui misteri che il tuo viscosimetro ti aiuterà a risolvere.

Temperatura

Uno dei fattori più evidenti che possono influenzare il comportamento reologico di un materiale è la temperatura. Alcuni materiali sono molto sensibili alla temperatura e una variazione relativamente piccola può causare una variazione significativa della viscosità. Altri prodotti non sono molto sensibili alla temperatura. Prendere in considerazione l'effetto della temperatura sulla viscosità è essenziale nella valutazione dei materiali che saranno soggetti a variazioni di temperatura durante la fabbricazione o durante l'uso finale (oli motore, grasso, adesivi hot-melt, eccetera.)

Velocità di taglio

In concreto, i prodotti non newtoniani tendono ad essere la regola piuttosto che l'eccezione. Un apprezzamento degli effetti della velocità di taglio è quindi necessario per chiunque sia coinvolto nelle applicazioni pratiche dei dati reologici. Ad esempio, sarebbe disastroso provare a pompare un ispessitore di taglio attraverso un sistema, solo per vederlo "solidificare" all'interno della pompa, interrompendo l'intero processo produttivo. Sebbene questo sia un esempio estremo, non va sottovalutata l'importanza che può avere la velocità di taglio. Quando il prodotto è soggetto a velocità di taglio diverse durante la produzione o durante l'uso finale, è essenziale conoscere la sua viscosità a queste cesoie. Se questo taglio non è noto, è necessario effettuare una stima. Le misurazioni della viscosità devono quindi essere eseguite a cesoie il più vicino possibile ai valori stimati. Molto spesso non è possibile misurare la viscosità di un prodotto alle velocità di taglio dell'uso finale perché questi valori cadono al di fuori degli intervalli di taglio del viscosimetro. È quindi necessario eseguire misurazioni a diverse cesoie ed estrapolare le misurazioni al taglio desiderato. Questo non è il metodo più accurato per ottenere queste informazioni, ma spesso è l'unica alternativa disponibile, soprattutto quando le velocità di taglio sono molto elevate. Infatti è sempre consigliabile effettuare misure di viscosità a differenti velocità di taglio per rilevare comportamenti reologici che potrebbero avere un effetto sul processo di fabbricazione o sul metodo di utilizzo finale. Quando i valori di taglio sono sconosciuti o se non sono importanti, spesso è sufficiente una semplice curva di viscosità rispetto alla velocità di rotazione. Esempi di materiali soggetti ae che sono influenzati da grandi variazioni di taglio durante la produzione o l'uso finale sono: vernici, cosmetici, lattice liquido, rivestimenti, alcuni prodotti alimentari e sangue nel sistema circolatorio umano. . La tabella seguente mostra esempi tipici di varie velocità di taglio.

Condizioni di misurazione

Le condizioni del prodotto possono avere un effetto considerevole durante la misurazione della sua viscosità. È quindi importante esserne consapevoli e avere il massimo controllo sull'ambiente di qualsiasi prodotto che è necessario misurare. In primo luogo, dovrebbero essere applicate le tecniche di misurazione della viscosità descritte nella sezione 3.3. Diverse variabili quali: modello del viscosimetro, combinazione di movimento / velocità, dimensioni del vaso, presenza o assenza di pinza, temperatura del prodotto, tecnica di preparazione del campione, ecc. misura ma anche il valore reale di viscosità del prodotto che stai misurando. In secondo luogo, devono essere considerati altri parametri meno ovvi che possono influenzare la viscosità. Ad esempio, il prodotto può essere sensibile all'atmosfera ambientale, come nel caso di prodotti dentali, prodotti metallurgici e sottoprodotti di altiforni, sangue e muco. In questi casi, può essere necessaria un'atmosfera controllata favorevole (vedere le informazioni sui sistemi di spurgo fornite nella sezione 2.1.10). Un altro fattore che può influenzare la misurazione della viscosità è l'omogeneità del campione. Molto spesso è preferibile avere un campione omogeneo. Pertanto, è possibile ottenere risultati più riproducibili. A volte, tuttavia, la tendenza di un materiale a separarsi in diversi strati non omogenei è la sua caratteristica più interessante. In questo caso specifico, fare attenzione a non agitare, scuotere o mescolare il prodotto prima di studiarlo.

Tempo

Il tempo trascorso durante l'applicazione di uno sforzo di taglio influisce ovviamente sui materiali tixotropici e anti-tixotropici (materiali dipendenti dal tempo). Ma variazioni di viscosità in molti materiali possono verificarsi nel tempo anche se il prodotto non è sottoposto a sollecitazioni di taglio. Il fenomeno dell'invecchiamento dovrebbe essere considerato quando si selezionano e si preparano i campioni per la misurazione della viscosità. Considerare anche il fatto che la maggior parte dei materiali subirà cambiamenti di viscosità nel corso di una reazione chimica e che la misurazione della viscosità effettuata in un particolare momento durante la reazione può variare in modo molto significativo da quella misurata. in un altro momento.

Pressione

Le variazioni di pressione possono causare la formazione di bolle nei gas disciolti, variazioni di volume e distribuzione dei gas e in alcuni casi possono creare turbolenze. La pressione non viene presa in considerazione tanto spesso quanto altri parametri. La pressione comprime i fluidi e quindi aumenta la resistenza intermolecolare. I liquidi sono comprimibili sotto l'influenza di pressioni molto elevate allo stesso modo dei gas ma in misura minore. L'aumento della pressione provoca un aumento della viscosità. Ad esempio, le proprietà di flusso di fanghi altamente caricati (maggiori di 70-80% in volume di particelle), quando la fase liquida è insufficiente a riempire tutti i buchi tra le particelle, sono il risultato di una miscela di tre fasi (solido, liquido e aria). Per la presenza dell'aria la miscela è comprimibile e quindi, più è compressa, più resiste al flusso.

Storia del prodotto

Ciò che è accaduto a un campione prima della misurazione della sua viscosità può influire in modo significativo sul risultato, soprattutto per i fluidi sensibili al calore e all'invecchiamento. Pertanto, le condizioni di conservazione e le tecniche di preparazione del campione dovrebbero essere progettate per minimizzare i loro effetti sulla misurazione della viscosità. I materiali tixotropici in particolare sono sensibili alla loro storia perché la loro viscosità sarà influenzata se sono stati precedentemente agitati, miscelati, colati o se hanno subito qualsiasi altra azione che produce taglio. 4.7.7 Composizione e additivi La composizione di un materiale è uno dei fattori determinanti della sua viscosità. Quando la sua composizione viene modificata, cambiando le proporzioni dei suoi diversi componenti o aggiungendo un altro materiale, una variazione di viscosità è altamente prevedibile. Ad esempio, l'aggiunta di solvente a un inchiostro da stampa riduce la viscosità dell'inchiostro. Gli additivi di tutti i tipi vengono utilizzati per controllare le proprietà reologiche delle vernici.

Caratteristiche specifiche di dispersioni ed emulsioni

Le dispersioni e le emulsioni sono materiali multifase costituiti da una o più fasi solide disperse in una fase liquida. Possono essere reologicamente influenzati da una serie di fattori. Oltre alla maggior parte dei fattori sopra descritti, le strane proprietà dei materiali multifase hanno una parte molto significativa nella reologia di tali materiali.

Una delle principali caratteristiche da studiare è lo stato di coesione del materiale. Le particelle che compongono la fase solida sono separate e distinte o sono raggruppate insieme? Quanto sono grandi i gruppi e sono fortemente uniti? Se i gruppi occupano un grande volume nella dispersione, la viscosità tenderà ad essere maggiore. Ciò è dovuto alla maggiore forza richiesta per rompere i legami di coesione della materia solida sospesa.

Quando i blocchi sono agglomerati nella dispersione, il comportamento dell'agglomerato può indurre un flusso di assottigliamento di taglio. A basso taglio, l'agglomerato può deformarsi ma rimanere relativamente intatto. Quando il taglio aumenta, l'agglomerato può scomporsi in più blocchi singoli, riducendo le aree di attrito, riducendo così la viscosità. Vedere la sezione 4.4 per maggiori dettagli sul comportamento dell'assottigliamento al taglio. Se i legami nell'agglomerato sono molto forti, il sistema può avere un punto di snervamento (vedere la sezione 4.4 sul comportamento della plastica). L'importanza del valore di soglia dipende dalla forza richiesta per rompere questi legami.

Se la struttura di flocculazione del materiale viene distrutta nel tempo mentre è sottoposto ad una sollecitazione fissa, si osserverà un comportamento di scorrimento del tipo “dipendente dal tempo” (vedere paragrafo 4.5).

Se la velocità di taglio viene ridotta dopo la distruzione di tutta o parte della struttura di flocculazione, la viscosità del materiale può essere inferiore a quella che avrebbe potuto essere in passato alla stessa velocità di taglio. Quando i blocchi iniziano a riunirsi di nuovo dopo la distruzione, la velocità con cui si verifica questa raccolta influisce sul tempo per la riconversione al livello iniziale di viscosità. Se la velocità è veloce, la viscosità sarà abbastanza simile al valore iniziale dopo poco tempo. Se la velocità è lenta, la viscosità rimarrà a un livello inferiore per un tempo più lungo. Questo è caratteristico di un comportamento reologico chiamato tissotropia (vedere la sezione 4.5).

L'attrazione da particella a particella della fase solida dispersa dipende dal tipo di materiale presente all'interfaccia tra la fase liquida e la fase solida, che a sua volta influenza le proprietà reologiche del sistema. Pertanto, l'introduzione di flocculanti o anti-flocculanti nel sistema è un metodo per controllarne la reologia. Anche la forma delle particelle che costituiscono la fase dispersa è importante per determinare la reologia del sistema. Le particelle sospese in un mezzo fluido ruotano costantemente. Se queste particelle sono essenzialmente sferiche, la rotazione può essere libera. Se, tuttavia, le particelle sono affilate o di forma appiattita, la facilità di rotazione è meno prevedibile, così come l'effetto della variazione della velocità di taglio. La stabilità di una fase dispersa è particolarmente critica quando si misura la viscosità di un sistema multifase. Se la fase dispersa tende a depositarsi, producendo quindi un fluido disomogeneo, le caratteristiche reologiche del sistema cambieranno. Nella maggior parte dei casi, ciò significa che la viscosità misurata diminuirà. I dati ottenuti in queste condizioni saranno spesso errati e richiederanno precauzioni speciali per garantire che la fase dispersa rimanga in sospensione.