Un reómetro es un dispositivo de laboratorio que se utiliza para medir la forma en que fluye un líquido, suspensión o lechada en respuesta a las fuerzas aplicadas. Se utiliza para aquellos fluidos que no pueden definirse por un solo valor de viscosidad y, por lo tanto, requieren que se establezcan y midan más parámetros que en el caso de un viscosímetro . Mide la reología del fluido.
Hay dos tipos de reómetros claramente diferentes . Los reómetros que controlan el esfuerzo cortante aplicado o la deformación cortante se denominan reómetros rotacionales o de corte , mientras que los reómetros que aplican tensión extensional o deformación extensional son reómetros extensionales . Los reómetros de tipo rotacional o de cizallamiento generalmente se diseñan como un instrumento nativo controlado por deformación (controlar y aplicar una deformación por cizallamiento definida por el usuario que luego puede medir el esfuerzo cortante resultante) o como un instrumento nativo controlado por esfuerzo (controlar y aplicar una deformación definida por el usuario). esfuerzo cortante y medir la deformación cortante resultante).
Significados y origen
La palabra reómetro proviene del griego y significa un dispositivo para medir el flujo principal. En el siglo XIX se usó comúnmente para dispositivos para medir la corriente eléctrica, hasta que la palabra fue reemplazada por galvanómetro y amperímetro . También se utilizó para la medición del flujo de líquidos, en la práctica médica (flujo de sangre) y en la ingeniería civil (flujo de agua). Este último uso persistió hasta la segunda mitad del siglo XX en algunas áreas. Tras la acuñación del término reología, la palabra pasó a aplicarse a instrumentos para medir el carácter en lugar de la cantidad de flujo, y los otros significados son obsoletos. (Fuente principal: Oxford English Dictionary ) El principio y el funcionamiento de los reómetros se describen en varios textos. [1] [2]
Tipos de reómetro de cizallamiento
Geometrías de cizallamiento
Se pueden definir cuatro planos de cizallamiento básicos según su geometría,
- Flujo de placa de arrastre Couette
- Flujo cilíndrico
- Poiseuille fluye en un tubo y
- Flujo placa-placa
Los diversos tipos de reómetros de cizallamiento utilizan una o una combinación de estas geometrías.
Cizalla lineal
Un ejemplo de reómetro de cizallamiento lineal es el reómetro cutáneo lineal de Goodyear, que se utiliza para probar formulaciones de cremas cosméticas y con fines de investigación médica para cuantificar las propiedades elásticas de los tejidos. El dispositivo funciona conectando una sonda lineal a la superficie del tejido bajo prueba, se aplica una fuerza cíclica controlada y la fuerza de corte resultante se mide usando una celda de carga. El desplazamiento se mide con un LVDT. Por lo tanto, los parámetros básicos de tensión-deformación se capturan y analizan para derivar la tasa de elasticidad dinámica del tejido sometido a pruebas.
Tubería o capilar
El líquido se fuerza a través de un tubo de sección transversal constante y dimensiones conocidas con precisión en condiciones de flujo laminar . Se fija el caudal o la caída de presión y se mide el otro. Conociendo las dimensiones, el caudal se puede convertir en un valor para la velocidad de corte y la caída de presión en un valor para el esfuerzo cortante . Variar la presión o el flujo permite determinar una curva de flujo. Cuando se dispone de una cantidad relativamente pequeña de fluido para la caracterización reométrica, se puede utilizar un reómetro de microfluidos con sensores de presión integrados para medir la caída de presión para un caudal controlado. [3] [4]
Los reómetros capilares son especialmente ventajosos para la caracterización de soluciones de proteínas terapéuticas, ya que determinan la capacidad de inyectarse. [5] Además, existe una relación inversa entre la reometría y la estabilidad de la solución, así como las interacciones termodinámicas.
Reómetro de cizallamiento dinámico
Un reómetro de cizallamiento dinámico , comúnmente conocido como DSR, se utiliza para investigación y desarrollo, así como para control de calidad en la fabricación de una amplia gama de materiales. Los reómetros de cizallamiento dinámico se han utilizado desde 1993 cuando se utilizó Superpave para caracterizar y comprender las propiedades reológicas de los aglutinantes de asfalto a alta temperatura tanto en estado fundido como sólido, y es fundamental para formular la química y predecir el rendimiento de uso final de estos materiales.
Cilindro rotacional
El líquido se coloca dentro del anillo de un cilindro dentro de otro. Uno de los cilindros gira a una velocidad establecida. Esto determina la velocidad de corte dentro del anillo. El líquido tiende a arrastrar el otro cilindro y se mide la fuerza que ejerce sobre esos cilindros ( par ), que se puede convertir en un esfuerzo cortante . Una versión de esto es el viscosímetro Fann VG, que funciona a dos velocidades (300 y 600 rpm) y, por lo tanto, solo da dos puntos en la curva de flujo. Esto es suficiente para definir un modelo de plástico de Bingham que solía ser ampliamente utilizado en la industria petrolera para determinar el carácter de flujo de los fluidos de perforación . En los últimos años se han utilizado reómetros que giran a 600, 300, 200, 100, 6 y 3 RPM. Esto permite utilizar modelos de fluidos más complejos, como Herschel – Bulkley . Algunos modelos permiten que la velocidad aumente y disminuya continuamente de manera programada, lo que permite la medición de propiedades dependientes del tiempo.
Cono y plato
El líquido se coloca en un plato horizontal y se coloca un cono poco profundo en él. El ángulo entre la superficie del cono y la placa es de alrededor de 1 a 2 grados, pero puede variar según los tipos de pruebas que se realicen. Normalmente, la placa se gira y se mide el par en el cono. Una versión muy conocida de este instrumento es el reogoniómetro de Weissenberg, en el que el movimiento del cono es resistido por una delgada pieza de metal que se retuerce, conocida como barra de torsión . La respuesta conocida de la barra de torsión y el grado de torsión dan el esfuerzo cortante , mientras que la velocidad de rotación y las dimensiones del cono dan la velocidad de corte . En principio, el reogoniómetro de Weissenberg es un método absoluto de medición siempre que esté configurado con precisión. Otros instrumentos que operan según este principio pueden ser más fáciles de usar pero requieren calibración con un fluido conocido. Los reómetros de cono y placa también se pueden operar en un modo oscilante para medir propiedades elásticas, o en modos combinados de rotación y oscilación.
Tipos de reómetro extensional
El desarrollo de los reómetros extensionales ha avanzado más lentamente que los reómetros de cizallamiento, debido a los desafíos asociados con la generación de un flujo extensional homogéneo. En primer lugar, las interacciones del fluido de prueba o la masa fundida con interfaces sólidas darán como resultado un componente de flujo de cizallamiento, que comprometerá los resultados. En segundo lugar, se debe controlar y conocer el historial de deformaciones de todos los elementos materiales. En tercer lugar, las tasas de deformación y los niveles de deformación deben ser lo suficientemente altos para estirar las cadenas poliméricas más allá de su radio normal de giro, lo que requiere instrumentación con una amplia gama de tasas de deformación y una gran distancia de recorrido. [6] [7]
Los reómetros extensionales disponibles comercialmente se han segregado de acuerdo con su aplicabilidad a los rangos de viscosidad. Materiales con un rango de viscosidad de aproximadamente 0.01 a 1 Pa.s. (la mayoría de las soluciones de polímeros) se caracterizan mejor con reómetros de ruptura capilar, dispositivos de chorro opuesto o sistemas de flujo de contracción. Materiales con un rango de viscosidad de aproximadamente 1 a 1000 Pa.s. se utilizan en reómetros de estiramiento de filamentos. Los materiales con una viscosidad alta> 1000 Pa.s., como los polímeros fundidos, se caracterizan mejor por dispositivos de longitud constante. [8]
La reometría extensional se realiza comúnmente en materiales que están sujetos a una deformación por tracción. Este tipo de deformación puede ocurrir durante el procesamiento, como moldeo por inyección, hilado de fibras, extrusión, moldeo por soplado y flujos de recubrimiento. También puede ocurrir durante el uso, como la descohesión de adhesivos, el bombeo de jabones de manos y la manipulación de productos alimenticios líquidos.
En la siguiente tabla se muestra una lista de reómetros extensionales comercialmente disponibles en el mercado actual y anteriormente.
Reómetros extensionales disponibles comercialmente
Nombre del instrumento | Rango de viscosidad [Pa.s] | Tipo de flujo | Fabricante | |
---|---|---|---|---|
Actualmente comercializado | Reotens | > 100 | Hilado de fibra | Goettfert |
CABER | 0.01-10 | Desintegración capilar | Thermo Scientific | |
Reómetro extensional Sentmanat | > 10000 | Longitud constante | Instrumentos Xpansion | |
FiSER | 1–1000 | Estiramiento de filamentos | Grupo de polímeros de Cambridge | |
VADER | > 100 | Estiramiento controlado del filamento | Filamento Rheo | |
Comercializado previamente | RFX | 0.01-1 | Jet opuesto | Científico reométrico |
RME | > 10000 | Longitud constante | Científico reométrico | |
MXR2 | > 10000 | Longitud constante | Proyectos Magna |
Reotens
Rheotens es un reómetro de hilatura de fibras, adecuado para fundidos poliméricos. El material se bombea desde un tubo aguas arriba y un juego de ruedas alarga la hebra. Un transductor de fuerza montado en una de las ruedas mide la fuerza de extensión resultante. Debido al pre-cizallamiento inducido cuando el fluido se transporta a través del tubo aguas arriba, es difícil obtener una verdadera viscosidad extensional. Sin embargo, el Rheotens es útil para comparar las propiedades de flujo extensional de un conjunto homólogo de materiales.
CABER
El CaBER es un reómetro de ruptura capilar . Se coloca una pequeña cantidad de material entre las placas, que se estiran rápidamente hasta un nivel fijo de tensión. El diámetro del punto medio se controla en función del tiempo a medida que el filamento de fluido se cuela y se rompe bajo las fuerzas combinadas de tensión superficial, gravedad y viscoelasticidad. La viscosidad extensional se puede extraer de los datos en función de la deformación y la velocidad de deformación. Este sistema es útil para fluidos, tintas, pinturas, adhesivos y fluidos biológicos de baja viscosidad.
FiSER
El FiSER (reómetro extensional de estiramiento de filamentos) se basa en los trabajos de Sridhar et al. y Anna et al. [9] En este instrumento, un conjunto de motores lineales separa un filamento de fluido a una velocidad que aumenta exponencialmente mientras mide la fuerza y el diámetro en función del tiempo y la posición. Al deformar a una tasa que aumenta exponencialmente, se puede lograr una tasa de deformación constante en las muestras (salvo las limitaciones de flujo de la placa terminal). Este sistema puede monitorear la viscosidad extensional dependiente de la deformación, así como la disminución de la tensión después de la interrupción del flujo. Se puede encontrar una presentación detallada sobre los diversos usos de la reometría de estiramiento de filamentos en el sitio web del MIT. [10]
Sentmanat
El reómetro extensional Sentmanat (SER) es en realidad un dispositivo que se puede instalar en el campo en reómetros de cizalla. Una película de polímero se enrolla en dos tambores giratorios, que aplican una deformación extensional de velocidad de deformación constante o variable sobre la película de polímero. La tensión se determina a partir del par ejercido por los tambores.
Otros tipos de reómetros extensionales
Reómetro acústico
Los reómetros acústicos emplean un cristal piezoeléctrico que puede lanzar fácilmente una ola sucesiva de extensiones y contracciones en el fluido. Este método sin contacto aplica una tensión de extensión oscilante. Los reómetros acústicos miden la velocidad del sonido y la atenuación del ultrasonido para un conjunto de frecuencias en el rango de megahercios. La velocidad del sonido es una medida de la elasticidad del sistema. Se puede convertir en compresibilidad de fluidos. La atenuación es una medida de las propiedades viscosas. Puede convertirse en módulo longitudinal viscoso. En el caso de un líquido newtoniano, la atenuación proporciona información sobre la viscosidad del volumen. Este tipo de reómetro funciona a frecuencias mucho más altas que otros. Es adecuado para estudiar efectos con tiempos de relajación mucho más cortos que cualquier otro reómetro.
Placa que cae
Una versión más simple del reómetro de estiramiento de filamentos, el reómetro de placa descendente empareda líquido entre dos superficies sólidas. La placa superior está fija y la placa inferior cae bajo la influencia de la gravedad, extrayendo una cuerda del líquido.
Flujo capilar / de contracción
Otros sistemas implican que el líquido atraviese un orificio, se expanda desde un capilar o sea aspirado desde una superficie a una columna mediante el vacío. Se puede utilizar un reómetro capilar presurizado para diseñar tratamientos térmicos de alimentos fluidos. Esta instrumentación podría ayudar a prevenir el sobreprocesamiento y el subprocesamiento de alimentos fluidos porque no sería necesaria la extrapolación a altas temperaturas. [11]
Ver también
Referencias
- ^ Macosko, Christopher W. (1994). Reología: principios, medidas y aplicaciones . Wiley-VCH. ISBN 0-471-18575-2.
- ^ Ferry, JD (1980). Propiedades viscoelásticas de los polímeros . Wiley. ISBN 0-471-04894-1.
- ^ Pipe, CJ; Majmudar, TS; McKinley, GH (2008). "Viscometría de alta velocidad de corte". Rheologica Acta . 47 (5–6): 621–642. doi : 10.1007 / s00397-008-0268-1 . S2CID 16953617 .
- ^ Chevalier, J; Ayela, F. (2008). "Microfluídico en viscosímetros de chip". Rev. Sci. Instrum . 79 (7): 076102. Código Bibliográfico : 2008RScI ... 79g6102C . doi : 10.1063 / 1.2940219 . PMID 18681739 .
- ^ Hudson, Steven (10 de octubre de 2014). "Un reómetro capilar de microlitros para la caracterización de soluciones proteicas". Revista de Ciencias Farmacéuticas . 104 (2): 678–685. doi : 10.1002 / jps.24201 . PMID 25308758 .
- ^ Macosko, Christopher W. (1994). Reología: principios, medidas y aplicaciones . Nueva York: VCH. ISBN 1-56081-579-5.
- ^ Barnes, Howard A. (2000). Un manual de reología elemental . Aberystwyth: Univ. de Gales, Instituto de Mecánica de Fluidos No Newtonianos. ISBN 0-9538032-0-1.
- ↑ Springer Handbook of Experimental Fluid Mechanics, Tropea, Foss, Yarin (eds), Capítulo 9.1 (2007)
- ↑ Sridhar, J. Non-Newtonian Fluid Mech., Vol 40, 271-280 (1991); Anna, J. Non-Newtonian Fluid Mech., Vol 87, 307–335 (1999)
- ^ McKinley, G. "Una década de reometría de estiramiento de filamentos" . web.mit.edu .
- ^ Ros-Polski, Valquíria (5 de marzo de 2014). "Análisis reológico de la solución de sacarosa a altas temperaturas utilizando un reómetro capilar presurizado calentado por microondas". Ciencia de los alimentos . 79 (4): E540 – E545. doi : 10.1111 / 1750-3841.12398 . PMID 24597707 .
- K. Walters (1975) Reometría (Chapman y Hall) ISBN 0-412-12090-9
- ASDukhin y PJGoetz "Ultrasonido para caracterizar coloides", Elsevier, (2002)
enlaces externos
- Ver Reómetro de cizallamiento dinámico de Cooper Research Technology
- Presentación sobre usos alternativos de reómetros