Medidas Visco Puro

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Curso de Reología Aplicada Febrero 2006 Dr. Javier Blasco Alberto. Área de Mecánica de Fluidos. Centro Politécnico Superior. Universidad de Zaragoza Métodos de medidas reológicas Parte I Fluidos puramente viscosos

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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= +