Viscosidad
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Reología
La reología es el estudio del comportamiento de deformación y flujo de los materiales. El término proviene del griego rei ~ (rhei) "fluir" y λóγος (logos) "enseñanza". El conocimiento del comportamiento del flujo, la reología, es por lo tanto una parte esencial de la ingeniería de plásticos y permite que el diseño de herramientas de conformación se adapte a los requisitos de presión de las máquinas y estimar los estados de orientación de las cadenas de polímeros. La fórmula para medir la viscosidad es bastante simple:viscosidad = esfuerzo cortante / velocidad de corte
Isaac Newton, el hombre que descubrió esta fórmula, pensó que, a una temperatura y un esfuerzo cortante dados, la viscosidad de un fluido permanecería constante independientemente de los cambios en la velocidad de corte. Solo tenía razón en parte. Algunos líquidos, como el agua y la miel, se comportan de esta manera como fluidos newtonianos. Sin embargo, la mayoría de los fluidos tienen viscosidades que fluctúan dependiendo de la velocidad de corte. Estos se llaman fluidos no newtonianos.
Viscosidad
La viscosidad representa la fricción interna de un líquido y expresa la mayor o menor facilidad de deslizamiento de una capa del líquido en comparación con una capa adyacente. La viscosidad de los líquidos normalmente disminuye al aumentar la temperatura. La viscosidad es lo opuesto de la fluidez (MFR o MFI). Desde un punto de vista microscópico y, por lo tanto, de partículas, el valor de la viscosidad depende tanto de la forma y el tamaño de las moléculas como de la extensión de las interacciones entre ellas, mientras la viscosidad de un líquido es independiente de su densidad o gravedad específica, pero si depende de la temperatura a que se encuentre, siendo inversamente proporcional a esta.En realidad, no todos los líquidos tienen un comportamiento similar por lo que es habitual dividirlos en dos categorías principales: líquidos newtonianos y líquidos no newtonianos; esta clasificación fue denominado por Isaac Newton desde que lo describiera como flujo viscoso.
Líquidos newtonianos: líquidos que siguen la ley de Newton;
Por el contrario, un fluido newtoniano es un fluido cuya viscosidad puede considerarse constante. En los fluidos newtonianos la viscosidad puede describirse en función de la temperatura y la presión sin que intervengan otras fuerzas. La curva que muestra la relación entre el esfuerzo o cizalla contra su tasa de deformación es lineal. Un buen número de fluidos comunes se comportan como fluidos newtonianos bajo condiciones normales de presión y temperatura: el aire, el agua, la gasolina, el vino y algunos aceites minerales.
Líquidos no newtonianos: líquidos que no siguen la ley de Newton
Un fluido no newtoniano es aquel que no tiene una viscosidad definida y constante que varía en función de la temperatura y fuerza cortante a la que esté sometido. Un fluido no newtoniano en reposo se comporta como un líquido mientras que si se somete a fuerzas de estrés aumenta su viscosidad. Como resultado, un fluido no newtoniano no tiene un valor de viscosidad definido y constante, a diferencia de un fluido newtoniano. Hay cinco tipos de fluidos no newtonianos: tixotrópicos, reopecticos, pseudoplásticos, dilatantes y plásticos. Se requieren diferentes consideraciones al medir cada uno de estos tipos de fluidos. Entre los fluidos no-newtonianos podemos encontrar los polimeros y los elastomeros y fluidos sobre cuya viscosidad influye también el tiempo.
Definamos los diferentes tipos de viscosidad :
Viscosidad absoluta o dinámica
Viscosidad dinámica (absoluta): la viscosidad dinámica también se conoce como viscosidad absoluta y con mayor frecuencia se relaciona con fluidos no newtonianos. Se refiere a la resistencia interna del fluido al flujo cuando se aplica la fuerza. Es la dificultad encontrada por la masa de un fluido (líquido o gas) para fluir libremente en un conducto. En particular, esto se llama precisamente viscosidad dinámica y se mide en equilibrio (lea 'puas') (símbolo P). Al dividir esta cantidad por la densidad, obtenemos la viscosidad cinemática (medida en stokes, St) que está relacionada con la dificultad de la caída libre de un sólido a través de un fluido. La viscosidad de un líquido es prácticamente independiente de la presión, mientras que disminuye al aumentar la temperatura. En el caso de los gases, aumenta con el aumento de la temperatura y la presión. Suponiendo dividir el fluido en capas, es la fuerza requerida para mover una capa de fluido de 1 m2 a la velocidad de 1 m / s con respecto a una capa supuestamente fija y 1 m de distancia. La viscosidad dinámica generalmente se mide en:
Contrapeso (P) = g / (m · s) o (Pa · s) = Kg / (m · s) = (N · s) / m2 o cps = mPa · s
- 10 Cps Muy líquido
- 130 Cps de viscosidad media
- 1800 Cps de alta viscosidad
Viscosidad cinemática o relativa
La viscosidad cinemática es una medida de la viscosidad de un fluido (generalmente newtoniano) en movimiento. Se puede definir como la relación de viscosidad dinámica a densidad. Cualquier viscosímetro que utilice la gravedad en su diseño de medición está midiendo la viscosidad cinemática. Es dada por la relación entre la viscosidad dinámica y la densidad (ν = μ/ρ). La viscosidad cinemática generalmente se mide en: en el sistema cegesimal de unidades ; Viscosidad cinemática [ν] = (St) St (stokes) = 1e-04 (m2/s) o centiStoke (cSt) = 1e-06 (m2/s), en el sistema Internacional de Unidades Viscosidad cinemática [ν] = [m2.s1].
Índice de viscosidad (I.V.)
Este índice expresa la constancia de la graduación viscosa de un aceite dado a diferentes temperaturas, por lo tanto, tanto como este valor sea mayor y la viscosidad se mantendrá constante a medida que cambie la temperatura, mientras menor sea el valor, mayor será esta variación.
Viscosidad intrínseca
La viscosidad aparente, o cizallamiento, se refiere a la relación entre la viscosidad y la velocidad de cizallamiento. En fluidos newtonianos, este valor no cambia, pero con fluidos no newtonianos, la viscosidad aparente se ve directamente afectada por la velocidad de corte. Se puede calcular dividiendo el esfuerzo cortante por la velocidad de corte. Se puede determinar experimentalmente midiendo el número de viscosidades en función de la concentración en la intersección del eje de ordenadas. El número de viscosidad puede estar relacionado con la masa molar.
¿Por qué debería medir la viscosidad?
La recopilación de datos de viscosidad en un material les da a los fabricantes la capacidad de predecir cómo se comportará el material en el mundo real.
Tipos de viscosímetros
La reometría es una rama amplia de la ciencia que estudia las propiedades reológicas de las sustancias. En general, incluye métodos reométricos, metodologías y aparatos utilizados para mediciones: reómetros. El equipo utilizado para medir las propiedades reológicas de los compuestos de caucho se puede dividir en las siguientes categorías según su principio:
- reómetros rotacionales
- reómetros de oscilación
- reómetros capilares
- reómetros de flujo
Viscosímetros capilares
Los viscosímetros de tubo capilar son los equipos más simples y económicos que se utilizan para medir la viscosidad. La viscosidad absoluta se obtiene aplicando la ley de Poiseuille sobre el flujo de líquidos a través de un capilar. Se basan en la medición del tiempo de salida de un líquido a través de un tubo capilar (generalmente construidos de vidrio, existen varios diseños; pero todos se basan en la configuración simple utilizada por Wilhelm Ostwald o de nivel constante de Ubbelohde), calibrado por un esfuerzo generado tanto por la gravedad (viscosímetros de caída libre) como por una fuerza mecánica o neumática (viscosímetros de presión variable). Por comparación de dos líquidos, uno de viscosidad conocida como el agua, o por la medida de una solución con un polímero y su relación con la del solvente puro en el mismo instrumento. El métodos estándares internacionales para realizar medidas con un instrumento capilar, es la ASTM D445.
Principio de viscosímetros capilares
Básicamente consisten en una pipeta plegada en U formada por una burbuja calibrada con dos muescas, soldada a un tubo capilar calibrado, como por ejemplo los viscosímetros de Ostwald. En la instrumentación moderna, el Dt se temporiza automáticamente; El golpe del fluido en el capilar se detecta siguiendo el movimiento del menisco en la burbuja hasta la muesca de llenado, por medio de detectores conductores de calor (TC) o fotosensores de fibra óptica, eliminando los errores subjetivos del tiempo visual.
Reómetros de oscilación (sin rotor)
Estos aparatos comúnmente utilizados para medir las propiedades de flujo incluyen los reómetros MDR y RPA. La diferencia entre los dos aparatos es que la frecuencia y la amplitud de la oscilación pueden no modificarse durante una medición usando un aparato MDR, pero las nuevas tecnologías de procesamiento requieren un mejor conocimiento de las propiedades reológicas de los compuestos. Un aparato RPA (analizador de procesos de caucho) permite una modificación de la amplitud (entre ± 0.02 y ± 90 °), frecuencia (entre 0.033 Hz y 33 Hz) y temperatura (entre 40°C y 200°C). RPA le permite medir las características de viscosidad y elasticidad de las mezclas en bruto, vulcanizadas y pre-vulcanizadas.
Viscosímetros de bola
Los viscosímetros de bola pueden ser de caída y de rodamiento; en el primer caso la caída es vertical, en el segundo una esfera rueda por la pared de un cilindro inclinado que contiene el fluido. En estos equipos se mide la velocidad de desplazamiento de una esfera a través de un medio viscoso. Para fluidos newtonianos, el arrastre viscoso de una esfera con un radio conocido es dado por la ley de Stokes.
Reómetros de extrusión capilar
Los viscosímetros de extrusión para materiales plásticos generalmente consisten en una extrusora de tornillo con velocidad variable que avanza dentro de un capilar de diámetro adecuado. La presión de salida se mide con transductores de presión: los capilares utilizados generalmente tienen un diámetro bastante grande (10 mm) y requieren cantidades de muestra de 1 a 5 kg. El esquema del reómetro capilar es similar al dispositivo de velocidad de flujo de fusión. Sin embargo, la diferencia está en cómo se controla la velocidad del pistón y el tipo de datos recopilados. La velocidad de los pistones se controla durante la prueba (ASTM D3835, ISO 11443).
Viscosímetros capilares diferenciales
La viscosidad relativa de las soluciones se puede llevar a cabo con un viscosímetro diferencial de doble capilar formado por dos capilares en serie con una válvula de inyección de bucle ubicada entre ellos, como ya se describió en una publicación anterior. El instrumento se basa en la determinación de la diferencia de presión entre los extremos capilares de la muestra y la referencia, medida por un transductor de presión diferencial (DPT) colocado en paralelo en cada uno de ellos.
Prueba de viscosidad Brookfield
La viscosimetría de Brookfield es una prueba de viscosidad dinámica que implica un eje giratorio en contacto con el fluido a medir. Este tipo de prueba de viscosidad se usa a menudo para analizar fluidos de acuerdo con las especificaciones de viscosidad dinámica que se miden en centipoise. Un tamaño de muestra típico es de aproximadamente 400-600 mililitros de material fluido, como un gel, loción o adhesivo. Tenemos la capacidad de analizar una muestra tan pequeña como ocho mililitros.
Viscómetro "Melt Indexer"
Es un tipo de reómetro de orificio de presión variable utilizado para la gradación de polímeros fundidos. Consiste en un cilindro con un orificio en el fondo, dentro del cual se funde el polímero. Bajo la presión de un pistón cargado de una masa controlada, el material fundido se extruye desde el orificio.
Viscosímetros de rotación
Los viscosímetros de rotación emplean la idea de que la fuerza requerida para rotar un objeto inmerso en un fluido puede indicar la viscosidad del fluido, por ejemplo el viscosimetro de Brookfield, que determinan la fuerza requerida para rotar un disco o lentejuela en un fluido a una velocidad conocida, mientras el vicosímetro de 'Cup and bob funciona determinando el torque requerido para lograr una cierta rotación; el viscosímetro Stormer es un dispositivo rotatorio, consiste en una especie de rotor con paletas tipo paddle que se sumerge en un líquido y se pone a girar a 200 revoluciones por minuto, se mide la carga del motor. En un viscosímetro rotativo (que usa cilindros, conos, esferas y discos), el fluido se cizalla a una temperatura dada en el fluido a una temperatura dada en el espacio anular o cerrado debido a la rotación del cilindro interno o dispositivo similar mientras el cilindro o dispositivo externo se mantiene estacionario o viceversa. En cualquier caso, el par requerido para la rotación es una medida del esfuerzo de corte y la velocidad de rotación da una medida de la velocidad de corte. Los viscosímetros rotacionales que usan cilindros coaxiales miden líquidos de viscosidad relativamente baja. Típico es el Haake-Rotovisco. En este dispositivo, la copa es estacionaria y el bob se mueve a través de un resorte de torsión. En un viscosímetro rotacional de cono y placa, el polímero fundido está contenido entre la placa inferior y el cono, que gira a una velocidad constante (W). El esfuerzo cortante (τ) es definido como:
donde Φ es el par en dinas por centímetro o en Newtons por metro y Rc es el radio del cono en centímetros o metros. La velocidad de corte (γ) viene dada por :
donde "Ω" es la velocidad angular en grados por segundo (CGS) o en radianes por segundo (SI) y a es el ángulo del cono en grados o radianes. La viscosidad es entonces es :
donde :
es una constante definida por el diseño del viscosímetro.
Se obtiene un resultado análogo si la placa gira y el viscosímetro de cono y placa es el reogoniómetro Weissenberg. Consiste en una placa que se puede girar a diferentes velocidades por medio de un conjunto de motor-engranaje de velocidad constante. La velocidad o rotación se mide con precisión por medio de un transductor. Se coloca un cono concéntricamente sobre la placa, el ángulo del cono es de alrededor de 1–5 °. El cono está soportado verticalmente por un cojinete de aire sin fricción y está unido a un soporte firme a través de un resorte torsional calibrado. Cualquier par experimentado por el cono conduce a una desviación de equilibrio de este resorte que se mide por medio de un transductor. La muestra de polímero se coloca en el espacio entre el cono y la placa y el par experimentado por el cono estacionario se mide para diferentes velocidades de rotación de la placa. Relacionando el esfuerzo cortante en la superficie del cono con el par medido y la velocidad de corte con la velocidad angular de la placa, la expresión para la viscosidad (η) se obtiene como:
donde K es la constante torsional yq es la desviación del resorte; Rp es el radio y ω es la velocidad angular de la placa; y a es el ángulo del cono. Mientras Ɵ y ω son cantidades determinadas experimentalmente, K y 𝛼 se obtienen mediante calibración en otros materiales. El viscosímetro de cono y placa proporciona datos experimentales confiables en un amplio rango de velocidades de corte (10–4 –104 segundos − 1). No solo se puede usar para medir viscosidades en cizallamiento simple, sino que también se puede usar para determinar las propiedades dinámicas de los materiales viscoelásticos. La unidad también está configurada para medir los esfuerzos normales exhibidos por los viscoelásticos, es decir, aquellos perpendiculares al plano de corte.
Viscosímetros que vibran
Los viscosímetros que vibran son sistemas rugosos usados para medir viscosidad en las condiciones de proceso. La pieza activa del sensor es una barra que vibra. La amplitud de la vibración varía según la viscosidad del líquido en el cual se sumerge la barra. Estos metros de la viscosidad son convenientes para medir estorbando los líquidos fluidos y de gran viscosidad (hasta 1.000.000 cP).
Normas : JIS K7367-1, ISO 307, ASTM D 1545