reología de líquidos viscosos

REOLOGÍA DE LÍQUIDOS VISCOSOS

Dra. Rebeca González Hernández

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE SALTILLO

Técnicas de análisis

Equipo 4:

Benjamín Padilla

Ilse Valeria Reyes Vílchez

Juan Alfredo Reyna Rodríguez

Eduardo

Historia

» Albert Einstein demostró, teórica y experimentalmente que una suspensión de esferas posee una viscosidad mayor que la de un líquido.

» La emergencia de la Reología estuvo ligada al desarrollo de la industria de los polímeros.

Suspensión

» Mezcla heterogénea compuesta por un sólido que se dispersa en un medio gaseoso o líquido.

» Cuando vemos una suspensión, las partículas de una sustancia están suspendidas en la otra sustancia ya que poseen diferente densidad.

Viscosidad

» Es la propiedad que tienen los líquidos de ofrecer cierta resistencia a la deformación o desplazamiento relativo de dos capas paralelas vecinas.

» Medida de la resistencia a la deformación del fluido.

D·

donde,

: esfuerzo cortante [mPa].

: viscosidad [mPa·s]

D: velocidad de deformación [s-1]

Viscosidad

Factores que influyen en la viscosidad:» Temperatura: la viscosidad disminuye con la

temperatura» Velocidad de deformación: Los fluidos se deforman

continuamente bajo la aplicación de esfuerzo cortante, en la materia de los plásticos, la deformación disminuye con el aumento de la velocidad de deformación.

» Presión: La viscosidad aumenta exponencialmente con la presión, los cambios son bastantes pequeños para presiones distintas de la atmosfera, pero no se toma mucho en cuenta para las mediciones.

» Degradación» Aditivos: La viscosidad de los plásticos en estado fundido

aumenta en presencia de cargas, rellenos y modificadores de impacto

Reología

» La reología es la ciencia de la deformación y flujo de la materia, su parámetro mas característico es la viscosidad, que mide la resistencia interna que un líquido ofrece al movimiento relativo de sus distintas partes

» Su estudio es esencial en muchas industrias, incluyendo las de plásticos, pinturas, alimentación, tintas de impresión, detergentes o aceites lubricantes, por ejemplo.

Reología

Aplicaciones:» Control de calidad de los alimentos » Estudio de la textura y consistencia de productos » Producción de pegamentos » Producción de pinturas» Producción de productos cosméticos y de higiene corporal » Producción de medicamentos » Caracterización de elastómeros y de polímeros tipo PVC. » Estabilidad de emulsiones y suspensiones. » Caracterización de gasolinas y otros tipos de hidrocarburos. » Caracterización de metales (en situaciones de elevada

temperatura), y de cristales líquidos.» Control de sustancias que sean transportadas a lo largo de

un recipiente cilíndrico (para evitar la reopexia). » Estudio del magma en vulcanología

Reología

» Las propiedades reológicas se definen a partir de la relación existente entre fuerza o sistema de fuerzas externas y su respuesta, ya sea como deformación o flujo.

» Todo fluido se va deformar en mayor o menor medida al someterse a un sistema de fuerzas externas.

Fluidos

» Un fluido se define como una sustancia que se deforma continuamente bajo la aplicación de esfuerzos cortantes.

» Las características reológicas de un fluido son uno de los criterios esenciales en el desarrollo de productos en el ámbito industrial.

» Frecuentemente, éstas determinan las propiedades funcionales de algunas sustancias e intervienen durante el control de calidad, los tratamientos (comportamiento mecánico), el diseño de operaciones básicas como bombeo, mezclado y envasado, almacenamiento y estabilidad física, e incluso en el momento del consumo (textura).

Fluidos

Existen 3 tipos de fluidos: » NEWTONIANOS (proporcionalidad entre

el esfuerzo cortante y la velocidad de deformación).

» NO NEWTONIANOS (no hay proporcionalidad entre el esfuerzo cortante y la velocidad de deformación)

» VISCOELÁSTICOS (se comportan como líquidos y sólidos, presentando propiedades de ambos).

Fluidos

» La relación entre el esfuerzo cortante aplicado y la velocidad viene dada por la ecuación:

xy

du

d t .•

(Ley de viscosidad de Newton)

siendo: xy = esfuerzo cortante (mPa)

= viscosidad dinámica del fluido (mPa·s)

du/dy = velocidad de deformación del fluido (s-1) = D

Tipos de fluidos

Newtonianos No Newtonianos

Independientes del tiempo

Sin esfuerzo umbral

Pseudoplásticos

Dilatantes

Con esfuerzo umbral

Plásticos

Viscoelásticos

Fluidos Newtonianos

» Un fluido newtoniano se caracteriza por cumplir la Ley de Newton, es decir, que existe una relación lineal entre el esfuerzo cortante y la velocidad de deformación.

» µ es constante para este tipo de fluidos y no depende del esfuerzo cortante aplicado.

» No depende del tiempo de aplicación del esfuerzo, aunque sí puede depender tanto de la temperatura como de la presión a la que se encuentre .

» Ejemplos de fluidos Newtonianos son el agua y el aceite.

Fluidos Newtonianos

» Para una mejor comprensión de este tipo de fluido se representan dos tipos de gráficas, la“Curva de Fluidez” y la“Curva de Viscosidad”. En la Curva de Fluidez se grafica el esfuerzo cortante frente a la velocidad de deformación ( vs D), mientras que en la Curva de Viscosidad se representa la viscosidad en función de la velocidad de deformación ( vs D). Para un fluido newtoniano se obtienen las siguientes curvas (Figura 2):

D D

Figura 2: Curvas de fluidez y de viscosidad para un fluido newtoniano.

Fluidos Newtonianos

Fluidos No Newtonianos

» Un fluido no newtoniano es aquel cuya viscosidad varia con el gradiente de tensión que se le aplica como resultado un fluido no newtoniano no tiene valor de viscosidad definido y constante a diferencia de un fluido newtoniano.

» Los líquidos no newtonianos son los que no presentan linealidad en la relación entre la viscosidad y esfuerzo cortante que es lo que establece la ley de newton.

» Estos fluidos se caracteriza por sus propiedades reologicas, es decir las tensiones que tiene que ver con la relación entre el esfuerzo y los tensores de tensión bajo a diferentes condiciones de flujo.


Dilatantes» Los fluidos dilatantes son suspensiones en las

que se produce un aumento de la viscosidad con la velocidad de deformación, es decir, un aumento del esfuerzo cortante con dicha velocidad.

» Se presenta cuando al aumentar la velocidad de cizalla se aumenta la viscosidad del fluido

» Ejemplos de este tipo de fluidos son: la harina de maíz, las disoluciones de almidón muy concentradas, la arena mojada, dióxido de titanio, etc.


Dilatantes» La figura 8 representa las curvas de fluidez y

viscosidad para este tipo de fluidos:

D D

Figura 8: Curvas de fluidez y de viscosidad para un fluido dilatante.


Plásticos» Este tipo de fluido se comporta como un sólido hasta

que sobrepasa un esfuerzo cortante mínimo (esfuerzo umbral) y a partir de dicho valor se comporta como un líquido.

» Se presenta cuando al someter el material a esfuerzos inferiores a cierto valor umbral, éste almacena energía. Si por el contrario se supera el umbral, el material se deforma continuamente como un fluido, siendo el esfuerzo una función, lineal o no, de la velocidad de deformación.

» Algunos ejemplos de comportamiento plástico son el chocolate, la arcilla, la mantequilla, la mayonesa, la pasta de dientes, las emulsiones, las espumas, etc


D D

Figura 10. Curvas de fluidez y de viscosidad para un fluido plástico


Pseudoplásticos» Este tipo de fluidos se caracterizan por una

disminución de su viscosidad, y de su esfuerzo cortante, con la velocidad de deformación.

» Se presenta en materiales en los que al aumentar la velocidad de deformación se reduce su viscosidad. Éste es el comportamiento más común a nivel industrial y se puede encontrar marcado en mayor o menor medida dependiendo de la distribución de pesos moleculares y de la estructura del material

» Ejemplos de fluidos pseudoplásticos son: algunos tipos de ketchup, mostaza, algunas clases de pinturas, suspensiones acuosas de arcilla, etc.


D D

Figura 4: Curvas de fluidez y de viscosidad para un fluido pseudoplástico.

Fluidos viscoelásticos

» Los fluidos viscoelásticos se caracterizan por presentar a la vez tanto propiedades viscosas como elásticas. Esta mezcla de propiedades puede ser debida a la existencia en el líquido de moléculas muy largas y flexibles o también a la presencia de partículas líquidas o sólidos dispersos.

» Tipo de comportamiento reologico que presentan algunos materiales que exhiben tanto propiedades viscosas como elásticas al ser deformados.

» Ejemplos de fluidos viscoelásticos son la nata, la gelatina, los helados.

Reómetro

» Permite conocer el comportamiento de las suspensiones en rangos de esfuerzo y velocidad mucho mas amplios así como las condiciones estacionarias.

Funcionamiento de un Reómetro

Absolutas Relativas

-Condiciones del ensayo muy controladas:gradiente de velocidad, flujo laminar, etc.– Se miden magnitudes físicas– Obtienen viscosidad mediante fórmula matemática sin correlaciones/calibraciones– Por tanto: son exactos

– Condiciones del ensayo no tan controladas– Se miden magnitudes físicas– Obtienen viscosidad mediante correlaciones/calibraciones– La velocidad de cizalla no es constantePor tanto, no sirve para obtener curvas de flujo

Medidas Absolutas/Relativas

Tipos de Reómetros

» Indexadores de fluencia de masa(polímeros)

Tipos de Reómetros

» Rotacionales

Medidas en Modo CS

Medidas en Modo CR

Modos CR y CS

» Ventajas CR:˃ Reómetro más económico˃ A veces es necesario fijar la velocidad de cizalla

» Ventajas CS:˃ Medidas precisas para la velocidad de cizalla bajas˃ Permite medir el punto de flujo

Resultados

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