Introducción a la reología

1. Introducción a la
Reología
Ing. Diego Novoa
Agosto de 2013

2. 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

3. 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

4. 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

5. 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

6. Definiciones
Viscosidad: resistencia al flujo
Módulo: resistencia a la
deformación

7. 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

8. 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

9. Variables que afectan el módulo y la viscosidad
Velocidad de corte
Tiempo
Temperatura
Presión
 Otros… (UV, ER, MR, …)

10. 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.

11. 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

12. 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)

13. 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

14. 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
Solids
Soft to Rigid
Solids
Líquido Semi Sólido

15. Sistemas de Temperatura Peltier
• Cilindros Concéntricos • Plato y cono

16. Geometrías
Cilindros Concéntricos Platos y Conos

17. Sistemas de Purga y Aislamiento
Cubierta para
Purga
Cubierta para
Aislamiento

18. 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

19. Tipos de Fluidos
ShearStress,
Newtonian
Shear Rate,
Bingham Plastic
(shear-thinning w/yield stress)
Shear Thickening (Dilatent)
y
Shear Thinning (Pseudoplastic)
Bingham (Newtonian w/yield
stress)

20. Newtoniano =
Pseudoplástico = n
(n<1)
Modelos Reológicos
Dilatante = n
(n>1)
Bingham = y + p
Casson = y + c
Herschel-Bulkley = y + n

21. Diagramas Característicos para Fluidos Newtonianos,Pa
s or PaPa.s
s
Ideal Yield Stress
(Bingham Yield)

22. 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

23. 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

24. 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

25. 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
viscosity(Pa.s)
Xanthan/Gellan
Fructose Soln.
N450,000
S3

26. Ejemplo: Desodorante Antitranspirante
La viscosidad debe
ser balanceada para
proveer la
viscosidad correcta
a la velocidad de
corte
proporcionada.
shear rate
viscosity application
storage
Roll-ons: Reología y uso final

27. Diagramas Característicos para Fluidos Tipo Shear Thickening
LogPa.s
Log s

28. 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.

29. Fluidos No-Newtonianos, Dependientes del Tiempo
tiempo
Viscosidad
Tixotrópico
Reopectico
Shear Rate = Constante

30. 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)

31. 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

32. Curvas de Viscosidad para Varios Fluidos Estructurados
1E-3 0.01 0.1 1 10 100 1000 10000
10
-2
10
-1
10
0
10
1
10
2
10
3
10
4
.
Almidón
Aceite de maní
0.05% solución poli-
acrilamida
Jarabe
Manteca de cacao
Gel para ducha
Co-polimero a 240 °C
Viscosity[Pas]
Shear rate [1/s]

33. 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
viscosity(Pa.s)
4 decade drop in
Yield Stress

34. Ejemplo: Shampoo
l
l
llllllllllllllll l l ll l
l l 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
stress[Pa]
yield stress
determined in a
stress ramp
Requerimientos:
Umbral de fluencia mínimo (10
Pa) para retardar
sedimentación
Viscosidad a bajo cizallamiento
500 Pas para impedir
floculación
shear thinning de 2 Pas
a 10'000 s-1 para permitir
Rápida aplicación sobre el
cabello
l
l
l
Formulación de un shampoo

35. 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

36. 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)

37. Cómo Funcionan una Pruebas de Oscilación
-1.5
0
1.5
0 6.3time
stress/strain
Deformación o esfuerzo aplicado de manera sinusoidal.
El usuario define la Amplitud y la frecuencia del esfuerzo
o la deformación.

38. 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,

39. 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

40. 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.

41. 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

42. 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
osc.stress(Pa)

43. 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
1000
0.1000
1.000
10.00
100.0
G'(Pa)

44. Ejemplo: Lociones - Cremas
' '' ' ' ' ' ' ' ' '
l
l
l
l
l
l
l
l 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
ModuliG'&G''[Pa]
G' emulsion A G'' emulsion A
G' emulsion B G'' emulsion B
l p
l p
Estabilidad de una crema Cosmética
Criterio 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.

45. 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.

46. Stability is Related to Structure in Inks
100.10001.00010.00
osc. st
10000
10.00
100.0
1000
G'(Pa)
Ink Sam

47. Barrido de Tiempo
Time
Deformation
lSe realiza a
frecuencia, amplitud y
temperatura
constantes.
lUsos
Tixotropía – dependencia del tiempo
Estudios de curado
Estabilidad contra la degradación térmica
Evaporación secado de solventes

48. 0 20.00 40.00 60.00 80.00 100.0 120.0
time (s)
10.00
100.0
G'(Pa)
10.00
100.0
G''(Pa)
0
2.000
4.000
6.000
8.000
10.00
12.00
14.00
delta(degrees)
Mayonaisse
1% strain, 10 rad/s ang. freq, 20'C
Dynamic Time Sweep

49. Structural Breakdown & Rebuild
700100.0200.0300.0400.0500.0600
time (s
10000
100.0
1000
G'(Pa)
Ink Sam

50. 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

51. 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).

52. Typical Oscillatory Data
100.01.000E-51.000E-41.000E-30.010000.1000 1.000 10.00
frequency (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

53. 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

54. 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'(Pa)
TA Instruments
BLEND.20O-temperature ramp
BUTTER.20O-Oscillation step
MARG.22O-temperature ramp
Solidificación: Barrido de Temperatura
Butter
Margarine
40/60
Blend

55. Aplicaciones
Plásticos o polímeros:
 Eficiencia de moldeo por inyección
 Variabilidad en procesos de extrusión
 Determinación de pesos moleculares
 Estabilidad dimensional
 Determinación de transición vítrea

56. Aplicaciones
Alimentos:
 Percepción de textura
 Estabilidad de almacenamiento
 Sensaciones en la boca
 Características al cocer
 Procesabilidad, extrusión
 Esparcimiento

57. Aplicaciones
Farmacéuticos y cosméticos:
 Tiempo de vida del producto
 Percepción sensorial
 Fuerza de cedencia
 Fortaleza de gel
 Consistencia

58. Aplicaciones
Pinturas, tintas y recubrimientos:
 Aplicación con rodillo
 Atomización
 Espesores de películas
 Escurrimiento
 Sedimentación de pigmentos durante
almacenamiento

59. Aplicaciones
Cerámicos:
 Estabilidad
 Fluidez
 Bombeo
 Desempeño al hornear

60. Aplicaciones
Petroquímica:
 Formulación de lubricantes
 Perfiles de temperatura/viscosidad
 Fluidos de perforación
 Capacidad de suspensión y bombeo

61. Aplicaciones
Asfalto:
 Rigidez
 Fatiga
 Ruting
 Craqueo térmico

62. Aplicaciones
Adhesivos:
 Tiempos de curado y gelación
 PSA (adhesivos sensibles a la presión)