Este documento describe los conceptos básicos de la reología de líquidos viscosos. Explica que la reología estudia la deformación y flujo de la materia, y que la viscosidad mide la resistencia interna de un líquido al movimiento relativo de sus partes. También distingue entre fluidos newtonianos y no newtonianos, e identifica ejemplos como la dilatancia y el comportamiento plástico. Finalmente, resalta la importancia de comprender las propiedades reológicas en aplicaciones industriales.
1. 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
2. » 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.
3. » 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.
4. » 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
]
5. 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
6. » 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.
7. 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
8. » 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.
9. » 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).
10. 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).
11. » La relación entre el esfuerzo cortante
aplicado y la velocidad viene dada por
la ecuación:
xy
du
dt
.•
(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
12. Tipos de fluidos
Newtonianos No Newtonianos
Independientes
del tiempo
Sin esfuerzo
umbral
Pseudoplásticos
Dilatantes
Con esfuerzo
umbral
Plásticos
Viscoelásticos
13. » 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.
14. » 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.
15.
16.
17. » 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.
18. 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.
19. 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.
20. 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
21.
D D
Figura 10. Curvas de fluidez y de viscosidad para un fluido plástico
22. 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.
23.
D D
Figura 4: Curvas de fluidez y de viscosidad para un fluido pseudoplástico.
24. » 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.
25.
26. » Permite conocer el
comportamiento
de las suspensiones
en rangos de
esfuerzo y
velocidad mucho
mas amplios así
como las
condiciones
estacionarias.
27. 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
constante
Por tanto, no sirve para obtener
curvas de flujo
Medidas Absolutas/Relativas
34. » 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