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Métodos de medidas reológicas
Parte I
Fluidos puramenteviscosos
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Contenido
1) Conceptos de Reología
2) Funcionamiento de los reómetros
3) Ensayos reológicos
4) Modelos matemáticos
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Conceptosde
Reología
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Conceptos de Reología
• Esfuerzo de cizalla • Deformación• Fluido (frente a sólido)• Cizalla y gradiente de velocidad• Velocidad de cizalla• Viscosidad• Tipos de fluidos
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Esfuerzo de cizalla
• Esfuerzo: fuerza/superficie (Pa) • De cizalla (o cortante):
tangente a la superficie• En inglés: shear stress
σ
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Deformación
• Deformación: ángulo de cambio de la forma de un fluido o sólido
• En inglés: strain
γ
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Fluido
• Fluido: sustancia que no puede soportar un esfuerzo de cizalla sin deformarse continuamente
γσ
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Cizalla
• Cizalla:cuando existe variación de la velocidad.
• Gradiente de velocidad: du/dy• En inglés: shear
Flujo deCouette
Capalímite
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Velocidad de cizalla
• Velocidad de cizalla:velocidad de variación de la deformación
• También se llamavelocidad de deformación(shear rate, strain rate)
γ1d duD sdt dyγ γ −⎡ ⎤≡ ≡ = = ⎣ ⎦
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Viscosidad
• Viscosidad:propiedad de un fluido que mide su oposición a fluir (con cizalla)
Sin cizalla(sin gradte. veloc.)
Con cizalla(por pared)
La viscosidad NO se manifiesta
La viscosidad SÍ se manifiesta
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Viscosidad
• Ejemplo:la miel fluye peor que el agua
• Por tanto:la miel es más viscosa que el agua
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Tipos de viscosidad
• Absoluta o dinámica:• Unidades: Pa s (cps)
• Cinemática:• Unidades: m2/s (cst)
dudy
σ η η γ= =
ηυρ
=
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Tipos de fluidos
• Puramente viscosos
• Viscoelásticos
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Tipos de fluidos viscosos
Viscosidad constante: newtonianos
Viscosidad variable
Independientes del tiempo Dependientes del tiempo
• Pseudoplásticos
• Dilatantes
• Tixotrópicos
• Reopéxicos
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Tipos de fluidos viscosos
Prof. R. Moreno 2005
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Tipos de fluidos viscosos
Prof. R. Moreno 2005
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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
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Dilatantes
• Viscosidad aumenta al aumentar cizalla• Otro nombre: espesantes• En inglés: shear-thickening
• Mayor caudal• Mayor fuerza apretando tubo• Más rápido se extiende• Más enérgicamente se mezcla
MÁS CUESTA
Poco frecuentes
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Tixotrópicos
Velocidad de cizalla
Esf
uerz
o de
ciz
alla
Al mantenercizalla constante,• se destruye estructura• disminuye la resistencia
Histéresis
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Tixotropía
• Característico de sustancias sol-gel
• Al someterlo a cizalla, se produce la transición:– de gel (alta viscosidad)– a sol (menor viscosidad)
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Parámetros de la tixotropía
1) Tiempo de destrucción de la estructura2) 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)
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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)
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Tixotropía: destrucción estructura
Velocidad de cizalla
Esf
uerz
o de
ciz
alla
Área: proporcional ala energía necesaria para romper la estructuraJ/(m3 s)
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Reopexia o Anti-tixotropía
Velocidad de cizalla
Esf
uerz
o de
ciz
alla
Al mantenercizalla constante,• se crea estructura• aumenta la resistencia
HistéresisPoco frecuentes
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Funcionamientode los
reómetros
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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
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Medidas absolutas/relativas
4
128D dPQ
dzπ
η⎛ ⎞= −⎜ ⎟⎝ ⎠
dudy
σ η η γ= =
ReómetrosAbsolutos
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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
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Medidas absolutas/relativas
ReómetrosAbsolutos
ReómetrosRelativos
Viscosímetros capilares
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Tipos de reómetros
• Capilares• De ranura• De orificio• Indexador de
fluencia de masa
• Placas deslizantes
• Caída de clindro• Caída de bola• Rotacionales
Flujo conducido por presión Flujo de arrastre
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Tipos de reómetros
Viscosímetrocapilar
(Ostwald)
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Tipos de reómetros
Viscosímetrode ranura
Se mide ladiferencia de
presiónProf. R. Moreno 2005
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Tipos de reómetros
Viscosímetrode orificio(Engler)
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Tipos de reómetros
Indexadoresde fluenciade masa(polímeros)
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Tipos de reómetros
Placasdeslizantes
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Tipos de reómetros
Caída decilindro(similar a
placa deslizante)
Abierto(viscosidad alta) Cerrado
Prof. R. Moreno 2005
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Tipos de reómetros
Caída debola
(Ley de Stokes)
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Tipos de reómetros
Rotacionales
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Reómetros rotacionales
• RotorCilindrodisco
• VasoContiene el fluido
Gradiente develocidadcontrolado
Medidadel par
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Reómetros rotacionales
Cono-placa
Placa-placaCili
ndro
s Prof. R. Moreno 2005
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Modos CS y CR
• Modo CR: Velocidad cizalla controlada“controlled rate”– Fijas velocidad de cizalla– Mides esfuerzo
(1)Fijas un
gradiente develocidadvelocidadrotacióncilindro
(2)Midesel par
sobre el cilindro
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Modos CS y CR
• Modo CS: Esfuerzo controlado“controlled stress”– Fijas esfuerzo– Mides velocidad de cizalla
(2)Mides el
gradiente develocidadvelocidadrotacióncilindro
(1)Ejercesun par
sobre el cilindro
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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
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Ensayosreológicos
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¿Qué queremos medir?
• Medir curva de flujo ycurva de viscosidad
• Averiguar el tipo de fluido(pseudoplástico, tixotrópico, etc)
• Medir punto de flujo
• Tixotrópicos– Tiempo de destrucción– Tiempo de recuperación
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Ensayos
• Ensayo 1: curva de flujo
• Ensayo 2: punto de flujo
• Ensayo 3: tiempo de rotura y recuperación
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Ensayo 1: Curva de flujo
• Indica tipo de fluido• Modo CR o CS
1) Rampa subida2) Tiempo espera3) Rampa bajada
Velocidad de cizalla
Esf
uerz
o de
ciz
alla
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Ensayo 1: Curva de flujo
Parámetros a medir
• Viscosidad aparente• Área encerrada• Ajustes con modelos
Velocidad de cizallaE
sfue
rzo
de c
izal
la
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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)
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Ensayo 2: Punto de flujo
Importancia del punto de flujo
• Pasta de dientes:hay que apretar para que salga
• Ketchup: igual
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Ensayo 2: Punto de flujo
• Aumentamos esfuerzo hasta que el sensor empieza a rotar
• Modo CS
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Ensayo 2: Punto de flujo
• Otro ensayo: deformación vs esfuerzo• Modo CS
Deformacióncomo sólido
Deformacióncomo fluido
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Ensayo 3: Rotura/recuperación(1) Cizalla alta y constante (2) Cizalla muy baja y constante
gel
sol
gel
sol
Mod
o C
S
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Ensayo 3: Rotura/recuperación(2) Cizalla muy baja
sol
gel
En modo CR
Cizalla oscilatoriade muy pequeñaamplitud
VENTAJA: las moléculasestán casi quietas, envez de moviéndose enuna cierta dirección
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Modelosmatemáticos
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¿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. 5.6 0.4 cpsη = ±
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Modelos más comunes
Fluidos newtonianosPlástico de Bingham
Ostwald-de-Waele
Herschel-Bulkley
σ η γ=
0σ σ η γ= +
nKσ γ=
0nKσ σ γ= +