El viscosímetro capilar es quizá el instrumento para la determinación de viscosidad más empleado, y también el más antiguo. En este tipo de viscosímetros un fluido es obligado a pasar a través de un tubo observándose una distribución de velocidades en el tubo de tipo parabólico, de forma que la porción del fluido que está en contacto con la paredes del capilar tiene una velocidad nula y la porción del fluido que se encuentra en el centro del tubo tiene una velocidad máxima. Un reómetro capilar es un aparato diseñado para medir la viscosidad de cizallamiento y otras propiedades reológicas (= flujo). Los reómetros capilares para plásticos son sistemas de pistón-matriz diseñados para medir la viscosidad de los polímeros fundidos en función de la temperatura y la velocidad de deformación. Son capaces de probar polímeros básicos, compuestos, varios compuestos con pequeñas partículas o fibras de refuerzo, materia prima para moldeo por inyección de metales y materiales similares. El principio básico es que una muestra termoplástica (originalmente en forma de gránulos, polvo o escamas) se hace fluida calentándola y forzada a fluir fuera de un cilindro a través de una matriz capilar. La cantidad medida es normalmente la presión generada en condiciones de estado estacionario. Una curva de flujo es la salida típica, obtenida por interpolación de varios datos experimentales. La viscosidad se representa como la letra griega “eta” (η) y se expresa (en unidades SI) en pascales segundos (Pa·s) o newton segundos por metro cuadrado (N·s/m2). Los reómetros capilares garantizan condiciones de prueba que son verdaderamente representativas de las condiciones de procesamiento, especialmente para técnicas de alta presión y alta velocidad como el moldeo por inyección, por lo que son clave para la optimización del proceso. Otras propiedades reológicas que pueden medirse o estimarse a partir de los datos de los reómetros capilares incluyen la viscosidad extensional, el hinchamiento del extruido, la estabilidad térmica y el deslizamiento de la pared. Se pueden realizar mediciones auxiliares de conductividad térmica, dependencia de la densidad de la presión y temperatura (pvT), resistencia de la masa fundida. Los viscosímetros capilares son útiles para la medida de viscosidades de un gran número de fluidos, desde disoluciones de polímeros hasta polímeros fundidos, concretamente las normas ASTM D3835 y D5099 describen procedimientos experimentales para el uso de reómetros capilares en la medida de propiedades reológicas de polímeros. Los perfiles de velocidades de cizalla producidos en el capilar dependen en gran medida del viscosímetro empleado.El viscosímetro capilar
El dispositivo más común y simple para medir la viscosidad es el viscosímetro capilar. Su componente principal es un tubo recto o capilar, y Hagen y Poiseuille lo utilizaron por primera vez para medir la viscosidad del agua. Un reómetro capilar tiene un flujo impulsado por presión para el cual el gradiente de velocidad o tasa de deformación y también la tasa de corte serán máximos en la pared y cero en el centro del flujo, lo que lo convierte en un flujo no homogéneo. Dado que los viscosímetros accionados por presión emplean flujos no homogéneos, solo pueden medir funciones de corte constante como la viscosidad, η γ( )⋅ . Sin embargo, son ampliamente utilizados porque son relativamente económicos de construir y fáciles de operar. A pesar de su simplicidad, los viscosímetros de capilar largo proporcionan los datos de viscosidad más precisos disponibles. Otra gran ventaja es que el reómetro capilar no tiene superficies libres en la región de prueba, a diferencia de otros tipos de reómetros, como los reómetros de cono y placa, que analizaremos en la siguiente sección. Cuando se mide la viscosidad dependiente de la velocidad de deformación del polímero fundido, los reómetros capilares pueden ser el único método satisfactorio para obtener dichos datos a velocidades de cizallamiento > 10 s-1. Esto es importante para los procesos con mayores tasas de deformación, como el mezclado, la extrusión y el moldeo por inyección. Debido a que su diseño es básico y solo necesita un cabezal de presión en su entrada, los reómetros capilares se pueden conectar fácilmente al extremo de una extrusora de tipo tornillo o ariete para mediciones en línea. Esto hace que el viscosímetro capilar sea una herramienta eficiente para la industria. Las características básicas del reómetro capilar se muestran en la figura.Un tubo capilar de radio R y longitud L está conectado al fondo de un depósito. La caída de presión y el caudal a través de este tubo se utilizan para determinar la viscosidad. Para derivar la relación de viscosidad, se hacen las siguientes suposiciones: ƒ no hay velocidad en las direcciones r y θ.
Viscosímetros capilares de vidrio
Este tipo de viscosímetro es muy utilizado para la medida de viscosidades de fluidos newtonianos. La fuerza impulsora es normalmente la presión hidrostática del líquido del que se va a medir la viscosidad, aunque en algunos casos (en fluidos muy viscosos o cuando se pretenden usar en fluidos no newtonianos) se suele aplicar una presión externa; en el caso de no aplicar una presión externa, se consiguen esfuerzos de cizalla bastante bajos, del orden de 1-15 Pa. El diseño básico de este tipo de viscosímetros es el correspondiente al viscosímetro de Ostwald (figura a) en este viscosímetro el líquido es succionado hasta que llega a la marca superior del depósito que se encuentra a mayor altura, a continuación se deja fluir hasta que pasa por la marca inferior y se mide el tiempo que ha transcurrido se puede obtener la viscosidad si se conocen K y C; en el caso de que no se conozcan sería necesario calibrar el viscosímetro con fluidos de viscosidad conocida. Con el paso del tiempo se han ido introduciendo modificaciones en el diseño del viscosímetro de Ostwald; una de estas modificaciones es el viscosímetro de Cannon-Fenske (figura b), el cual es aconsejable para uso general. Por otra parte, el viscosímetro de Ubbelohde (figura c) se suele emplear para realizar medidas a distintas concentraciones.