introducción a la reología
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Introducción a la reologíaTRANSCRIPT
Introducción a la Reología
Ing. Diego Novoa
Agosto de 2013
Contenido
• Qué es reología y porqué es importante: viscosidad y módulo, viscoelasticidad
• Qué es un reómetro y cómo trabaja• Pruebas de flujo• Pruebas de oscilación• Aplicaciones
Qué es Reología
• Reología es la ciencia que estudia la deformación y el flujo de la materia bajo condiciones controladas (reómetros).
• El flujo es un tipo de deformación
• La deformación es un tipo de flujo
La Reología Permite Identificar
Fluidez, procesabilidad y desempeño de producto Estructura y estabilidad Viscosidad, punto de gel y curado Nivelación, sedimentación y vida de anaquel Peso molecular
Qué respuestas nos da la reología
Porqué no fluye, no bombea, no se esparce Porqué no se adhiere o no cura Porqué gelifica tan rápidamente Porqué sedimenta rápidamente Es demasiado frágil
Definiciones
Viscosidad: resistencia al flujo
Módulo: resistencia a la deformación
Shear Stress: = F/A Módulo: G = /
Strain: = dx/yo Viscosidad: = /
Shear Rate: = d /dt = V/yo
y
x
dxxo
F = Fuerza
yo
A = area
Reología: flujo y deformación bajo condiciones
controladas
V = Velocidad
Definición de Viscoelasticidad
Rango de comportamiento
Sólido Ideal mayoría de materiales Líquido Ideal
Acero Agua
Elástico Puro Viscoelástico Viscoso Puro
Rígido Fluido
Retiene Forma Pierde Forma
Almacena Energía Disipa Energía
DEFORMACIÓN FLUJO
Módulo de Almacenamiento Módulo de Perdida
Viscoelasticidad:
Tiene propiedades viscosas y elásticas
Variables que afectan el módulo y la viscosidad
Velocidad de corte
Tiempo
Temperatura
Presión
Otros… (UV, ER, MR, …)
Reómetro
Instrumento que permite someter al material a diferentes tipos de deformaciones (strain) controladas ó velocidades flujo (shear rate) y medir los esfuerzos (shear stress) ó viceversa.
Las mediciones se realizan para simular condiciones de procesamiento en la industria o condiciones de uso por parte de los consumidores en el mundo real.
Partes del Reómetro
Cabezal con display a color para visualizar información en tiempo real
Geometrías Smart Swap
Sistema de temperatura Smart Swap
Panel de control táctil
Carcasa en una única pieza de aluminio de mayor resistencia
Componentes electrónicos separados
Reómetro: Cabezal
Decodificador Óptico
Sensor de Posición Verdadera (TPS)
Motor - Transductor
Geometrías Smart Swap
Cojinetes de aire radiales
Cojinetes Magnéticos
FRT Transductor de Fuerza Normal
Cojinetes de aire radiales
Control activo de Temperatura (ATC)
Comparación Reómetro / Viscosímetro
Reómetro: Se obtiene una curva Flujo y Oscilación (Corte bidireccional)Medidas directas de todos los parámetros Control de temperatura Gap de alta resolución (velocidad de cizallamiento precisa) Amplio rango de velocidades – puede simular un proceso (mayor a 10 valores de magnitud)
Viscosímetro: Se obtienen puntos Solo flujo (corte unidireccional) No produce medidas absolutas Baja precisión de la temperatura Gap no definido Rango de velocidad limitado
Sistemas de Medición - Geometrías
Parallel
Plates
Cone and
Plate
Concentric
Cylinders
Rectangular
Torsion
Very Low to
Medium
Viscosity
Very Low to
High
Viscosity
Low Viscosity
to soft
SolidsSoft to Rigid
Solids
Líquido Semi Sólido
Sistemas de Temperatura Peltier
• Cilindros Concéntricos • Plato y cono
Geometrías
Cilindros Concéntricos Platos y Conos
Sistemas de Purga y Aislamiento
Cubierta para Purga
Cubierta para Aislamiento
Medición de la viscosidad en función del esfuerzo de corte, la velocidad de corte, el
tiempo y la temperatura
Tipos de fluidos Curva de flujo, Viscosidad Tixotropía Umbral de fluencia
Pruebas de Flujo
Tipos de Fluidos
Shear
Str
ess,
Newtonian
Shear Rate,
Bingham Plastic
(shear-thinning w/yield stress)
Shear Thickening (Dilatent)y
Shear Thinning (Pseudoplastic)
Bingham (Newtonian w/yield
stress)
Newtoniano =
Pseudoplástico = n (n<1)
Modelos Reológicos
Dilatante = n (n>1)
Bingham = y + p
Casson = y + c
Herschel-Bulkley = y + n
Diagramas Característicos para Fluidos Newtonianos, P
a
s or PaP
a.s
s
Ideal Yield Stress
(Bingham Yield)
Fluidos No-Newtonianos, Independientes del Tiempo
Shear-Thinning (Adelgazantes)
Descenso en la viscosidad a medida que
aumenta la velocidad de corte. También
llamados Pseudoplásticos.
Shear-Thickening (Espesantes)
Incremento en la viscosidad a medida que
aumenta la velocidad de corte. También
llamados Dilatantes
Porqué Ocurre el Fenómeno Shear Thinning
Reposo Cizallamiento
Los
agregados se
rompen
Las cadenas de
polímeros se
alargan
Las partículas se alinean
en dirección al flujo
~ 1
s
Diagramas Característicos para Fluidos Tipo Shear Thinning
105
103
101
10-1
10-6 10-4 10-2 100 102 104
Pa.s
s
105
103
101
10-1
10-1 10-0 10-1 102 103
Pa.s
, Pa
Comparación entre Fluidos Newtonianos y un Tipo Shear Thinning
10001.000E-6 1.000E-4 0.01000 1.000 10.00 100.0
shear rate (1/s)
10000
1.000E-3
0.01000
0.1000
1.000
10.00
100.0
1000
visc
osi
ty (
Pa.s
)
Xanthan/GellanFructose Soln.
N450,000
S3
Ejemplo: Desodorante Antitranspirante
La viscosidad debe ser balanceada para proveer la viscosidad correcta a la velocidad de corte proporcionada.
shear rate
visc
osi
tyapplication
storage
Roll-ons: Reología y uso final
Diagramas Característicos para Fluidos Tipo Shear Thickening
Log
Pa.s
Log s
Fluidos No-Newtonianos, Dependientes del Tiempo
Tixotrópicos
Descenso en la viscosidad aparente con el tiempo
a una velocidad o esfuerzo constantes, seguido
de una recuperación gradual cuando el esfuerzo o
la velocidad son retirados.
Reopecticos
Incremento en la viscosidad aparente con el
tiempo a una velocidad o esfuerzo constantes,
seguido de una recuperación gradual cuando el
esfuerzo o la velocidad son retirados. También llamado Anti-tixotropico.
Fluidos No-Newtonianos, Dependientes del Tiempo
tiempo
Vis
cosid
ad
Tixotrópico
Reopectico
Shear Rate = Constante
Viscosidad – Curva de flujo, No Newtonianos
1
1) Sedimentación
2) Nivelación
3) Drenaje a gravedad
4) Masticado y tragado
5) Recubrimiento por inmersión
6) Mezclado y agitación
7) Flujo en tuberías
8) Atomización y cepillado
9) Fricción
10) Molienda en base líquida
11) Recubrimiento a alta velocidad
2 3
6
5
8 9
1.001.00E-5 1.00E-4 1.00E-3 0.0100 0.100 10.00 100.00 1000.00 1.00E4 1.00E5
log
1.00E6
117
4
10
Viscosidad es una curva no un punto!
Viscosidad = viscosidad aparente
Shear Rate (1/s)
Rangos de Shear Rate para Varias Aplicaciones
Situation Shear Rate Examples
Powders Sedimentation in liquids 10-6 to 10-3 Medicines, Paints, Salad dressing
Leveling due to surface tension 10-2 to 10-1 Paints, Printing inks
Draining off surfaces under gravity 10-1 to 101 Toilet bleaches, paints, coatings
Extruders 100 to 102 Polymers, foods
Chewing and Swallowing 101 to 102 Foods
Dip coating 101 to 102 Confectionery, paints
Mixing and stirring 101 to 103 Liquids manufacturing
Pipe Flow 100 to 103 Pumping liquids, blood flow
Brushing 103 to 104 Painting
Rubbing 104 to 105 Skin creams, lotions
High-speed coating 104 to 106 Paper manufacture
Spraying 105 to 106 Atomization, spray drying
Lubrication 103 to 107 Bearings, engines
Curvas de Viscosidad para Varios Fluidos Estructurados
1E-3 0.01 0.1 1 10 100 1000 1000010
-2
10-1
100
101
102
103
104
.
AlmidónAceite de maní0.05% solución poli-
acrilamidaJarabeManteca de cacaoGel para ducha
Co-polimero a 240 °C
Vis
cosi
ty
[Pa
s]
Shear rate [1/s]
Umbral de fluencia: vs. Shear Stress
10000.1000 1.000 10.00 100.0
shear stress (Pa)
1000000
0.1000
1.000
10.00
100.0
1000
10000
100000
visc
osi
ty (
Pa.
s)
4 decade drop in
Yield Stress
Ejemplo: Shampoo
l
l
lllllllllllllllll l
l ll
ll l l l
l l
0 20 40 60 80 100 120 140 160-20
shear rate [1/s}
0
5
10
15
20
25
30
stre
ss [
Pa] yield stress
determined in a stress ramp
Requerimientos:
Umbral de fluencia mínimo (10 Pa) para retardar sedimentaciónViscosidad a bajo cizallamiento 500 Pas para impedirfloculaciónshear thinning de 2 Pas a 10'000 s-1 para permitirRápida aplicación sobre elcabello
l
l
l
Formulación de un shampoo
Cómo Programar una Prueba de Flujo
• Flow Ramp – un barrido rápido para conocer la viscosidad de la muestra a determinada velocidad de corte
– Shear rate: 0.1 – 100 1/s
– 5 puntos por década
– Temperatura: ambiente o según aplicación
Medición de propiedades viscoelásticas como G’, G” y tangente de δ con respecto al tiempo, la temperatura, la frecuencia y la deformación
Pruebas de Oscilación
Módulo Complejo G*Módulo de almacenamiento G´Módulo de perdida G” Tan Delta δ (ángulo de fase)
Cómo Funcionan una Pruebas de Oscilación
-1.5
0
1.5
0 6.3time
str
ess /
str
ain
Deformación o esfuerzo aplicado de manera sinusoidal.El usuario define la Amplitud y la frecuencia del esfuerzo o la deformación.
Angulo de Fase
• La medida de la variación entre la onda de entrada (estímulo) y la onda de salida (respuesta) se denomina ángulo de fase
-1.5
0
1.5
0 6.3
Angulo
Estímulo (stress or strain)
Respuesta (strain or stress)
Angulo de fase,
Extremos del Angulo de Fase
Stress
Strain
= 90°
Respuesta Puramente Elástica
(Solido Hookeano)
Respuesta Puramente Viscosa
(Líquido Newtoniano)
Stress
= 0°
Phase angle 0° < < 90°
Stress
Strain
Respuesta Visco-Elástica
Strain
Parámetros Viscoelásticos
Módulo Elástico (Almacenamiento):Medición de la elasticidad. Habilidad del material para almacenar energía.
G' = (stress*/strain)cos
stress’/strain
G" = (stress*/strain)sin
stress”/strain
Módulo Viscoso (Perdida): Habilidad del material para disipar energía. Perdida de energía como calor.
Módulo Complejo: Resistencia general a la deformación. G* = Stress*/Strain
G* = G’ + iG”
Tan = G"/G'Tan Delta:Medida de la amortiguación del material.
Barrido de Deformación
l Se realiza a frecuencia
y temperatura
constantes.
Time
Deformation
lUsos
Identificar la región lineal viscoelástica
Fortaleza de la estructura de una dispersión -
estabilidad
Linear and Non-Linear Stress-Strain Behavior of Solids
Non-Linear Region
G = f( )Linear Region
G is constant
G
1000.00.010000 0.10000 1.0000 10.000 100.00% strain
1000
1.000
10.00
100.0
100.0
0.01000
os
c. s
tre
ss
(P
a)
The Strength of a Suspensions Structure
The strength of a suspensions structure can be measured by conducting a dynamic stress sweep test.
Plot the G’ versus stress: Over the linear region the materials structure is unbroken. The end of the linear region is called the critical stress, c. Above c the structure of the material is broken. The higher the c, the stronger the strength of the structure. c is also a measure of the apparent yield stress of the material.
Sun Tan Lotion Dynamic Stress Sweep
c
Linear Region
Unbroken Structure
10001.000E-30.010000.10001.00010.00100.0
osc. stress (Pa)
1000
0.1000
1.000
10.00
100.0
G' (Pa)
Ejemplo: Lociones - Cremas
' '' ' ' ' ' ' ' ' '
l
l
ll
ll
ll
l l l
p pp p p p p p p p p
l
l
l l l l l l l l l
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
strain [%]
1E+03
1E+04
1E+05
1E+06
Mo
du
li G
' & G
'' [P
a]
G' emulsion A G'' emulsion A
G' emulsion B G'' emulsion B
l p
l p
Estabilidad de una crema CosméticaCriterio de estabilidad: No creaming (formación de una fase dispersa concentrada en la superficie)
Aunque G’ es
mayor para la
muestra B a baja
deformación, A
muestra una mejor
estabilidad porque
es mas resistente a
las deformaciones
amplias.
Como Programar un Barrido Strain/Stress
• Objetivo: Encontrar la región lineal
viscoelástica LVR
• %Strain:
– desde la mas baja – 100%
• 5 puntos por década
• Frecuencia: 1Hz (6.28 rad/s)
• Temperatura:
– Ambiente o según la aplicación.
Stability is Related to Structure in Inks
100.00.10001.00010.00
osc. stress (Pa)
10000
10.00
100.0
1000
G' (Pa)Ink Samples: Oscillation Stress Sweeps @ 6.28 rad/s
Barrido de Tiempo
Time
DeformationlSe realiza a
frecuencia, amplitud y
temperatura
constantes.
lUsos
Tixotropía – dependencia del tiempo
Estudios de curado
Estabilidad contra la degradación térmica
Evaporación secado de solventes
0 20.00 40.00 60.00 80.00 100.0 120.0time (s)
10.00
100.0
G' (P
a)
10.00
100.0
G'' (Pa)
0
2.000
4.000
6.000
8.000
10.00
12.00
14.00
delta
(deg
rees
)
Mayonaisse
1% strain, 10 rad/s ang. freq, 20'C
Dynamic Time Sweep
Structural Breakdown & Rebuild
700.00100.0200.0300.0400.0500.0600.0
time (s)
10000
100.0
1000G' (Pa)Ink Samples: Time Sweep after Preshear
Cómo Programar un Barrido de Tiempo
• Cuando es necesario hacer barrido de tiempo?
– Para muestras que tengan estructura. (ej. yogurt, gel para el cabello, pintura)
– Para muestras que no sean estables (ej. Presenten secado o degradación, etc.)
• Procedimiento
– Tiempo de duración: 10 – 30 min.
– Tiempo de espera (tiempo por medición): 10seg.
– %Strain: el encontrado durante el barrido de deformación (o intentar con 0.02 –0.05%)
– Frecuencia: 1Hz
Barrido de Frecuencia
l Se realiza a amplitud y
temperatura
constantes.
Time
Deformation
lUsos
Información de la viscosidad a corte cero, shear thinning
(adelgazamiento)
Elasticidad (deformación reversible).
MW & MWD en polímeros fundidos.
Fuerza de gel
Propiedades del modulo a altas y bajas frecuencias (tiempos cortos y
largos).
Typical Oscillatory Data
100.01.000E-51.000E-41.000E-30.010000.1000 1.000 10.00frequency (Hz)
1.000E6
0.01000
0.1000
1.000
10.00
100.0
1000
10000
1.000E5
G' (
Pa)
1.000E6
0.01000
0.1000
1.000
10.00
100.0
1000
10000
1.000E5
G'' (Pa)
1.000E5
100.0
1000
10000
|n*|
(Pa.
s)
PDMS
PDMS Extended frequency sweep-0001o, Frequency sweep step
Cómo Programar un Barrido de Frecuencia
• Rango de Frecuencia
– 100 – 0.1 rad/s
– Para soluciones de baja viscosidad
• 10 – 0.1 rad/s (los datos pueden no verse bien)
• 5 puntos por década
• % strain
– El encontrado durante el barrido de deformación
• Temperatura:
– Ambiente o según la aplicación
25.02.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 17.5 20.0 22.5
temperature (Deg C)
2500000
0
500000
1000000
1500000
2000000
G'
(P
a)
TA Instruments
BLEND.20O-temperature ramp
BUTTER.20O-Oscillation step
MARG.22O-temperature ramp
Solidificación: Barrido de Temperatura
Butter
Margarine
40/60
Blend
Aplicaciones
Plásticos o polímeros:
Eficiencia de moldeo por inyección
Variabilidad en procesos de extrusión
Determinación de pesos moleculares
Estabilidad dimensional
Determinación de transición vítrea
Aplicaciones
Alimentos:
Percepción de textura
Estabilidad de almacenamiento
Sensaciones en la boca
Características al cocer
Procesabilidad, extrusión
Esparcimiento
Aplicaciones
Farmacéuticos y cosméticos:
Tiempo de vida del producto
Percepción sensorial
Fuerza de cedencia
Fortaleza de gel
Consistencia
Aplicaciones
Pinturas, tintas y recubrimientos:
Aplicación con rodillo
Atomización
Espesores de películas
Escurrimiento
Sedimentación de pigmentos durante almacenamiento
Aplicaciones
Cerámicos:
Estabilidad
Fluidez
Bombeo
Desempeño al hornear
Aplicaciones
Petroquímica:
Formulación de lubricantes
Perfiles de temperatura/viscosidad
Fluidos de perforación
Capacidad de suspensión y bombeo
Aplicaciones
Asfalto:
Rigidez
Fatiga
Ruting
Craqueo térmico
Aplicaciones
Adhesivos:
Tiempos de curado y gelación
PSA (adhesivos sensibles a la presión)