Métodos de medidas reológicas

Transcripción

1 Métodos de medidas reológicas Parte I Fluidos puramente viscosos

2 Contenido 1) Conceptos de Reología 2) Funcionamiento de los reómetros 3) Ensayos reológicos 4) Modelos matemáticos

3 Conceptos de Reología

4 Conceptos de Reología Esfuerzo de cizalla Deformación Fluido (frente a sólido) Cizalla y gradiente de velocidad Velocidad de cizalla Viscosidad Tipos de fluidos

5 Esfuerzo de cizalla Esfuerzo: fuerza/superficie (Pa) De cizalla (o cortante): tangente a la superficie En inglés: shear stress σ

6 Deformación Deformación: ángulo de cambio de la forma de un fluido o sólido En inglés: strain γ

7 Fluido Fluido: sustancia que no puede soportar un esfuerzo de cizalla sin deformarse continuamente γ σ

8 Cizalla Cizalla: cuando existe variación de la velocidad. Gradiente de velocidad: du/dy En inglés: shear Flujo de Couette Capa límite

9 Velocidad de cizalla Velocidad de cizalla: velocidad de variación de la deformación También se llama velocidad de deformación (shear rate, strain rate) dγ du 1 γ D = = s dt dy γ

10 Viscosidad Viscosidad: propiedad de un fluido que mide su oposición a fluir (con cizalla) La viscosidad SÍ se manifiesta Sin cizalla (sin gradte. veloc.) La viscosidad NO se manifiesta Con cizalla (por pared)

11 Viscosidad Ejemplo: la miel fluye peor que el agua Por tanto: la miel es más viscosa que el agua

12 Tipos de viscosidad Absoluta o dinámica: Unidades: Pa s (cps) Cinemática: Unidades: m 2 /s (cst) du σ = η = η γ dy υ = η ρ

13 Tipos de fluidos Puramente viscosos Viscoelásticos

14 Tipos de fluidos viscosos Viscosidad constante: newtonianos Viscosidad variable Independientes del tiempo Pseudoplásticos Dilatantes Dependientes del tiempo Tixotrópicos Reopéxicos

15 Tipos de fluidos viscosos Prof. R. Moreno 2005

16 Tipos de fluidos viscosos Prof. R. Moreno 2005

17 Pseudoplásticos Viscosidad disminuye al aumentar cizalla Otro nombre: fluidificantes En inglés: shear-thinning Mayor caudal Mayor fuerza apretando tubo Más rápido se extiende Más enérgicamente se mezcla MENOS CUESTA

18 Dilatantes Viscosidad aumenta al aumentar cizalla Otro nombre: espesantes En inglés: shear-thickening Poco frecuentes Mayor caudal Mayor fuerza apretando tubo Más rápido se extiende Más enérgicamente se mezcla MÁS CUESTA

19 Tixotrópicos Histéresis Esfuerzo de cizalla Al mantener cizalla constante, se destruye estructura disminuye la resistencia Velocidad de cizalla

20 Tixotropía Característico de sustancias sol-gel Al someterlo a cizalla, se produce la transición: de gel (alta viscosidad) a sol (menor viscosidad)

21 Parámetros de la tixotropía 1) Tiempo de destrucción de la estructura 2) Viscosidad final del sol 3) Tiempo de recuperación (volver a gel) Ejemplo: pintura para pared Destrucción rápida (fácil extensión) Viscosidad baja del sol (fácil extensión) Recuperación rápida (evitar goteo)

22 Más ejemplos de tixotropía Ejemplos: cosméticos, fármacos, pastas alimenticias Destrucción rápida (fácil mezcla) Viscosidad baja del sol (fácil mezcla) Recuperación rápida (evitar sedimentación o segregación)

23 Tixotropía: destrucción estructura Esfuerzo de cizalla Área: proporcional a la energía necesaria para romper la estructura J/(m 3 s) Velocidad de cizalla

24 Reopexia o Anti-tixotropía Esfuerzo de cizalla Histéresis Poco frecuentes Al mantener cizalla constante, se crea estructura aumenta la resistencia Velocidad de cizalla

25 Funcionamiento de los reómetros

26 Medidas absolutas/relativas Absolutas: 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

27 Medidas absolutas/relativas Q 4 π D = 128η dp dz du σ = η = η γ dy Reómetros Absolutos

28 Medidas absolutas/relativas Relativas: Condiciones del ensayo no tan controladas Se miden magnitudes físicas Obtienen viscosidad mediante correlaciones/calibraciones La velocidad de cizalla no es constante Por tanto, no sirve para obtener curvas de flujo

29 Medidas absolutas/relativas Viscosímetros capilares Reómetros Absolutos Reómetros Relativos

30 Tipos de reómetros Flujo conducido por presión Capilares De ranura De orificio Indexador de fluencia de masa Flujo de arrastre Placas deslizantes Caída de clindro Caída de bola Rotacionales

31 Tipos de reómetros Viscosímetro capilar (Ostwald)

32 Tipos de reómetros Viscosímetro de ranura Se mide la diferencia de presión Prof. R. Moreno 2005

33 Tipos de reómetros Viscosímetro de orificio (Engler)

34 Tipos de reómetros Indexadores de fluencia de masa (polímeros)

35 Tipos de reómetros Placas deslizantes

36 Tipos de reómetros Abierto (viscosidad alta) Cerrado Caída de cilindro (similar a placa deslizante) Prof. R. Moreno 2005

37 Tipos de reómetros Caída de bola (Ley de Stokes)

38 Tipos de reómetros Rotacionales

39 Reómetros rotacionales Rotor Cilindro disco Gradiente de velocidad controlado Vaso Contiene el fluido Medida del par

40 Reómetros rotacionales Cono-placa Cilindros Prof. R. Moreno 2005 Placa-placa

41 Modos CS y CR Modo CR: Velocidad cizalla controlada controlled rate Fijas velocidad de cizalla Mides esfuerzo (1) Fijas un gradiente de velocidad velocidad rotación cilindro (2) Mides el par sobre el cilindro

42 Modos CS y CR Modo CS: Esfuerzo controlado controlled stress Fijas esfuerzo Mides velocidad de cizalla (2) Mides el gradiente de velocidad velocidad rotación cilindro (1) Ejerces un par sobre el cilindro

43 Modos CS y CR Ventajas CR Reómetro más económico A veces es necesario fijar la veloc. cizalla Ventajas CS Medidas precisas para veloc. cizalla bajas Permite medir el punto de flujo

44 Ensayos reológicos

45 Qué queremos medir? Medir curva de flujo y curva de viscosidad Averiguar el tipo de fluido (pseudoplástico, tixotrópico, etc) Medir punto de flujo Tixotrópicos Tiempo de destrucción Tiempo de recuperación

46 Ensayos Ensayo 1: curva de flujo Ensayo 2: punto de flujo Ensayo 3: tiempo de rotura y recuperación

47 Ensayo 1: Curva de flujo Indica tipo de fluido Modo CR o CS 1) Rampa subida 2) Tiempo espera 3) Rampa bajada Esfuerzo de cizalla Velocidad de cizalla

48 Ensayo 1: Curva de flujo Parámetros a medir Viscosidad aparente Área encerrada Ajustes con modelos Esfuerzo de cizalla Velocidad de cizalla

49 Ensayo 2: Punto de flujo Definición: es el esfuerzo que hay que aplicar para que la sustancia empiece a fluir En inglés: yield stress (esfuerzo umbral) yield point (punto de flujo) Esperando mucho tiempo, todo fluye (ej. vidrio catedrales: más fino por arriba)

50 Ensayo 2: Punto de flujo Importancia del punto de flujo Pasta de dientes: hay que apretar para que salga Ketchup: igual

51 Ensayo 2: Punto de flujo Aumentamos esfuerzo hasta que el sensor empieza a rotar Modo CS

52 Ensayo 2: Punto de flujo Otro ensayo: deformación vs esfuerzo Modo CS Deformación como sólido Deformación como fluido

53 Ensayo 3: Rotura/recuperación (1) Cizalla alta y constante (2) Cizalla muy baja y constante gel Modo CS sol gel sol

54 Ensayo 3: Rotura/recuperación En modo CR (2) Cizalla muy baja Cizalla oscilatoria de muy pequeña amplitud VENTAJA: las moléculas están casi quietas, en vez de moviéndose en una cierta dirección gel sol

55 Modelos matemáticos

56 Para qué son necesarios? Primero: hacemos las medidas Luego: ajustamos las medidas a un modelo En control de calidad: Caracterizamos la muestra con unos parámetros (mejor que con una curva) Rangos de validez: P.ej. η = 5.6 ± 0.4 cps

57 Modelos más comunes Fluidos newtonianos Plástico de Bingham Ostwald-de-Waele Herschel-Bulkley σ = ηγ σ = σ η γ 0 + σ = K γ 0 n σ = σ + K γ n