Introduccion a La Reologia

1

Introducción a la Reología

El comportamiento de flujo también puede

denominarse comportamiento reológico cuando

dicho los materiales se evalúan acorde a los

parámetros de la reología

Reología…

“Todo fluye (panta rheis)”…

¡eventualmente!

Rheos Movimiento

Prof. Bingham, años 1920 ...

La Reología cobró importancia a partir de la

segunda guerra mundial, debido principalmente

al surgimiento de materiales complejos…

2

Reología…

Utilidad e importancia

!Prever el comportamiento durante el manejo del

material

!Inferir la microestructura del material

!Como herramienta de formulación

!Contribuir al avance de la ciencia y el

conocimiento

Extremos del comportamiento de los

fluidos:

•El sólido elástico o de Hooke

•El fluido viscoso Newtoniano

Se trata de modelos ideales de

comportamiento a los cuales se acercan

muchos materiales

3

Robert Hooke: “True Theory of Elasticity” (1678)

F

L+ !L

F

L

w

e

Sólido elástico!

F = k !L

Ley de Hooke:

F = k !L

F

ew

!

" # #

$

% & & '

kL

ew

!

" # #

$

% & & (L

L

!

" # #

$

% & &

! =G "

"! : esfuerzo, Pa

" G : modulo de elasticidad, Pa

"" : deformación relativa

4

Muchos materiales, cuando son sometidos

a esfuerzos relativamente pequeños se

comportan como sólidos de Hooke.

Chicle!

Fluido viscoso!

Isaac Newton, “Principia” (1687)

x

y

FA

Fm v

A t

x

Ax

yvx

5

El flujo de cantidad de movimiento es proporcional

a la densidad de flujo de cantidad de movimiento a

través del material o fluido:

!

mvx

At= " #

d$ vx

dy

%

& '

(

) *

La conductividad de cantidad de movimiento se

denomina viscosidad cinemática #

!

mvx

At" #

d$ vx

dy

%

& '

(

) *

Fm v

A t

x

Ax

yvx

Ley de Newton

!yx = " #d $v xdy

%

& ' '

(

) * *

Si la densidad !

es constante...

Viscosidad

dinámica ó µTasa de corte ó ˙ !

!yx = " # $d vx

dy

%

& ' '

(

) * *

6

!y x = µ ˙ "

Para los fluidos Newtonianos...

µ = f(T,P)

T: temperatura

P: presión

Ley de Newton:

0

5

10

15

20

25

30

0 100 200 300 400 500

Shear rate, 1/s

Sh

ear

str

ess, P

a

20 ºC

30 ºC

45 ºC

Aceite de coco

Ley de Newton (cont.)

7

0

20

40

60

80

290 300 310 320

Temperature, ºC

Vis

co

sit

y, m

Pa.s

Aceite de coco

!

µ = Aexp "B

T

#

$ %

&

' (

Ec. de Arrhenius:

K

• Todos los gases

• Líquidos con pesos moleculares inferiores a

~ 500 …

• Soluciones poliméricas diluidas

• Suspensiones y emulsiones diluidas

Fluidos Newtonianos

8

En el sistema CGS: 1 dina s/cm2 = 1 g/cm s = 1 Poise

En el sistema internacional SI: 1N s/m2 = 1 Pa s = 10 Poise

En la práctica se usa el centiPoise: 1 cP = 0,01 Poise = 1 mPa s

Viscosidad del agua a 25°C $ 1 cP

Viscosidad - Unidades

µ (=) ML-1 t -1

En algunos casos se utiliza la viscosidad cinemática:Viscosidad cinemática (%) = viscosidad (&)/masa volumétrica ('),

En el sistema CGS: 1 Stokes = 1 Poise/(1g/cm3) = 1 cm2 s-1

En el sistema SI: (=) m2 s-1

algunos valores de µ

(a 20°C, mPa.s)

aire

agua

querosén

aceite de oliva

crudo liviano 25°API

glicerina

miel

crudo extrapesado 8°API

polímero fundido

asfalto

vidrio fundido

vidrio

0,02

1

10

100

100

1.000

10.000

500.000

10 6

10 11

10 15

10 43

9

…los fluidos Newtonianos

y los sólidos elásticos son

las excepciones ...

Lamentablemente…

Reología

Fluidos simples (Newtonianos)

como agua, vino, aceite, glicerina

Otras sustancias “fluyen” pero su viscosidad ya no es una

característica suficiente para diferenciarlos.geles, pinturassuspensiones, emulsionesadhesivos, pasta de dientesalsas ...

10

Dominio de la Reología...

Solido

elásticoFluido

viscoso

Reofluidizante

Reoespesante

Viscoelástico

Viscoplástico

Tixotrópico

Comportamientos reológicos no-

Newtonianos:

** Su descripción

** Los modelos que los

representan "#$%# !&'

11

Comportamientos

reológicos

no-Newtonianos

Viscosidad aparente

disminuye cuando o aumenta

&! "

• Reofluidizante (oseudoplástico)

!

"

# #

$$1

2

12

!="

˙ # = tg (

• Reoespesante (odilatante)

!

"

"

1

2

#

!="

˙ # = tg (

Comportamientos reológicos

no-Newtonianos

Viscosidad aparente

aumenta cuando o aumenta

&! "

12

Fluidos viscosos

Esfuerzo !

Cizallamiento

˙ !

Shear-thickening

Shear-thinning

Newtoniano

Reo-espesanteo dilatante

Reo-fluidizante

o viscoplástico

Viscosidad &

Cizallamiento ˙ !

Shear-thickening

Shear-thinning

Newtoniano

Reo-espesante

o dilatante

Reo-fluidizante

o viscoplástico

Fluidos viscosos

13

˙ !

!

˙ ! a

˙ ! b

F gravedad˙ !

b

El líquidoreo-fluidizante

se derrama másrápidamente

Newtoniano

Reo-fluidizante

('s-'f)pequeño

˙ ! a

las esferas caena la mismavelocidad

Reograma

Comportamiento reofluidizante

Comportamiento reo-fluidizante (escalas log-log)

˙ !

!

Este es el comportamiento más usual

14

Comportamiento reoespesante

˙ ! alto

˙ ! pequeño

¡arena mojada!˙ !

Suspensión de arcilla esmás reoespeante cuando )

de sólido aumenta

Polímero disuelto en querosén,

reoespesamiento disminuye con

tiempo de exposición a la luz

(fotodegradación)

Surfactantes en solución,

efectos temporales

15

• Viscoplástico (fluido deBingham)

!

"

#

$%tg # =

!0

!o : esfuerzo umbral

&* : viscosidad límite


no-Newtonianos

¡Comportamiento experimental!

16

0

20

40

60

80

100

120

0 300 600 900 1200 1500 1800

Shear rate, 1/s

Sh

ea

r s

tre

ss

, P

a

Lodo de arcilla en solución de surfactante ypolímero

• Viscoplásticos complejos

!s: umbral estático

(tiende a desaparecer)

!d: umbral dinámico

!e: umbral “ingenieril”

!

"

!!!

s

d

e

17

• Tixotrópicos

El comportamiento

tixotrópico depende

de la historia previa

de cizallamiento.

!

"

Primer ciclo

Segundo ciclo


no-Newtonianos

Tixotropía reversible

(comportamiento

ideal)

Tixotropía irreversible

(comportamiento real)

18

Tixotropía negativa o anti-tixotropía

D.C.H. CHENG, Nature , 245 , 93 (1973)

« Alkaline Perbunan Latex » : (a) en reposo (b) después de agitación vigorosa. Cuando

cesa la agitación, el producto recupera su estado del reposo en 2 min.

Tixotropía negativa o anti-tixotropía

Se inducen estructuras por cizallamiento (espectros SANS: small angle

neutron scanning) durante el flujo de suspensiones concentradas de

partículas (d = 165 nm) de latex (52 % en glicol). LAUN y col., J. Rheol., 36,

743 (1992)

10-4 s-1

10-6 s-1

10-1 s-1

15 s-1

Espectro SANS

19


no-Newtonianos

Fluidos

viscoelásticos

• No viscoelásticos

No

viscoelástico

No hay

hinchamiento


no-Newtonianos

Descarga

20

• Viscoelásticos

Viscoelástico

Hinchamiento

del chorro


no-Newtonianos

Descarga

• No viscoelástico

Newtoniano

vórtices


no-Newtonianos

21

• Viscoelástico

NewtonianoViscoelástico

Aumento tamaño de los

vórtices


no-Newtonianos

• Viscoelástico

Efecto del

sifón sin

conducto


no-NewtonianosSucción

22

• Viscoelástico

El vórtice se invierte

Efecto

Weissenberg


no-Newtonianos

"

t

!+

! < !o

"

o

! < ! o: Elástico

! > ! o: Flujo

viscoso

Prueba de

“reptancia”

!!o

ot

• Viscoelástico


no-Newtonianos

23

LIQUIDO VISCOSO LIQUIDO VISCOELASTICO SOLIDO ELASTICO

Partículas de poliestireno (R = 34 nm) en

presencia de NaCl ( 5. 10-4 mol/dm3 ). Efecto del

contenido de fase interna.

): contenido de fase interna (partículas de latex)

Cambia de viscoso a elástico (pasando porviscoelástico) al aumentar (

Polímero fundido PVC.

Efecto de la temperatura

Se torna más viscoelástico al

disminuir la temperatura

24

0

)(t!

)(t!

!CIZALLAMIENTO OSCILATORIO

de baja amplitud: ensayo dinámico oscilatorio

! (t) = ! 0 sin "t( )Señal :

˙ ! (t) = ˙ ! 0

cos "t( )

!(t) = !0 sin "t + #( )Respuesta :

!

"(t) = #0 $ G sin%t + $ $ G cos%t[ ]

G*

= ! G + i ! ! G

Módulo

complejo

Módulo

elástico

Módulo

viscoso

!

"(t) = iG*#0

1

10

100

0.1 1 10 100

G"

G'G' Princen

70% peso aceite Carnatio

3% peso Tween 80

27% peso H20

a32 ~ 4 µm

Emulsión concentrada viscoelástica - comportamiento en

ensayo dinámico oscilatorio

!, (Pa)

G´,

G´´

(P

a)

Introduccion a La Reologia

Documents

Transcript of Introduccion a La Reologia